Masterarbeit Steffen Kaminski

 

Entwicklung und Implementierung eines Cloud-Energiemanagementsystems zum optimierten Betrieb von Gebäudeenergiesystemen in Stadtquartieren

Cloud-Energiemanagementsystems Urheberrecht: EBC

Moderne Gebäudeenergiesysteme bieten die Möglichkeit Flexibilitäten bereitzustellen, welche als Regelleistung für das elektrische Netz genutzt werden können. Durch eine intelligente Nutzung dieser Regelleistung können Lastspitzen im elektrischen Netz ausgeglichen werden, welche aus der zeitlich und örtlich abhängigen Erzeugung von Strom aus regenerativen Energiequellen resultieren. In dieser Arbeit wird ein Cloud-Energiemanagementsystementwickelt und vorgestellt, das dazu dient diese Regelleistungen möglichst intelligent zu nutzen.

Das vorgestellte Cloud-Energiemanagementsystem basiert auf einer hierarchischen Struktur. Entscheidungen werden von einer zentralen Entität, dem Koordinator, getroffen und an die Teilnehmer, die sogenannten Klienten, weitergegeben. Um eine ideale Steuerung zu gewährleisten, wird eine zweistufige Optimierung verwendet. Auf der Klientenebene werden dazu zunächst nur die Zielfunktionen der Klienten betrachtet. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse der ersten Stufe, werden auf der zweiten Stufe mögliche Flexibilitäten adressiert, um so den bestmöglichen Beitrag zur Netzstabilität zu leisten. Zur Koordinierung von Flexibilitäten werden in dieser Arbeit zwei verschiedene Strategien vorgestellt. Die erste Strategie basiert darauf, dass jeder Klient mehrere mögliche Fahrweisen seines Gebäudeenergiesystems bereitstellt und aus diesen die bestmögliche Kombination gewählt wird. Bei der zweiten Strategie wird ein zentrales Optimierungsproblem, welches eine Modellierung aller verwendeten Gebäudenergiesystemen enthält, aufgestellt und gelöst. Die so bestimmten Fahrweisen werden mithilfe einer Regelung an die Gebäudeenergiesysteme geleitet. Das entwickelte Cloud-Energiemanagementsystem wurde ebenfalls in Form einer Demonstrator-Plattformimplementiert.

Um die Leistungsfähigkeit des Cloud-Energiemanagementsystem zu evaluieren, werden Simulationen mit einem mit einem Stadtquartier, bestehend aus sechs Gebäuden, durchgeführt. Vereinfacht werden dazu deterministische Inputdaten verwendet. Es kann gezeigt werden, dass der in dieser Arbeit entwickelte Cloud-Energiemanagementsystem in der Lage ist Betriebskosten oder CO2-Emissionen zur senken und gleichzeitig Regelleistung für das elektrische Netz bereitzustellen. Die zweite Koordinierungsstrategie weist dabei eine höhere Leistungsfähigkeit auf Flexibilitäten zu adressieren.

Zusätzlich wird durch eine Wirtschaftlichkeitsberechnung gezeigt, dass das vorgestellte Cloud-Energiemanagementsystem gewinnbringend eingesetzt werden kann.