Fahrplanbasiertes Energiemanagement in Smart Grids

Die Zunahme dezentraler, volatiler Stromerzeugung im Rahmen der Energiewende führt schon heute zu Engpässen in Stromnetzen. Eine Lösung dieser Probleme verspricht die informationstechnische Vernetzung und Koordination der Erzeuger und Verbraucher in Smart Grids. Diese Arbeit präsentiert einen Energiemanagement-Ansatz, der basierend auf Leistungsprognosen und Flexibilitäten der Akteure spezifische, aggregierte Leistungsprofile approximiert. Hierbei werden Netzrestriktionen berücksichtigt

Fahrplanbasiertes Energiemanagement in Smart Grids

Die Zunahme dezentraler, volatiler Stromerzeugung im Rahmen der Energiewende führt schon heute zu Engpässen in Stromnetzen. Eine Lösung dieser Probleme verspricht die informationstechnische Vernetzung und Koordination der Erzeuger und Verbraucher in Smart Grids. Diese Arbeit präsentiert einen Energiemanagement-Ansatz, der basierend auf Leistungsprognosen und Flexibilitäten der Akteure spezifische, aggregierte Leistungsprofile approximiert. Hierbei werden Netzrestriktionen berücksichtigt

Systemdienstleistungserbringung durch intelligente Gebäude

Within the ongoing transition of energy systems, new technologies are integrated into electrical distribution systems—e. g. distributed generation, electrical storage, electric vehicles and automated building energy management—which transform buildings into actively participating components inside the grid. This thesis analyses the influences of those intelligent buildings’ capabilities of optimizing their in-house energy flows on low-voltage grids and discusses the usability of those capabilities to provide system services. In order to minimize the limitations which arise for the economic acting on energy markets for the inhabitants of such buildings, the traffic light concept is shaped as an approach to provide necessary needed system services. Firstly, a technical traffic light is introduced to determine critical situations in the grid. Secondly, a topological traffic light identifies active components that can reasonably participate in the clearance of a critical situation. Thirdly, aspects of coordination by the traffic light are tackled by a closed-loop feedback mechanism that controls utility equipment and intelligent buildings by utilizing a two-staged mechanism for demand response. The three parts of the proposed traffic light approach are implemented in a Regional Energy Management System that utilizes a proposed Extended Generic Observer/Controller-Architecture. For a close-to-reality evaluation three reference grids for a rural, village, and suburban residential low voltage grid are derived from literature as well as three scenarios for the distribution of active components. In particular distributed generation, electrical storage and electric vehicles. The simulation of intelligent buildings, utility equipment, and the low voltage grid as well as the Regional Energy Management System are implemented in a Co-Simulation environment that extends the Organic Smart Home to a microgrid simulation. Furthermore, this simulation is extended towards a Software-in-a-Hardware-Loop-Environment comprising the Co-Simulation and the KIT Energy Smart Home Lab as a real intelligent building, to comply with the necessity of evaluating the Regional Energy Management System with real hardware. Here, a loose coupling of software and hardware components is established by using event-based communication schemes utilizing a message bus and an artificial mains is used to align the environmental conditions between simulation and real building. The capabilities of the Regional Energy Management System to stabilize low voltage systems, especially in future scenarios, are investigated in simulation studies and its operation is successfully demonstrated in the presented Software-in-a-Hardware-Loop-Environment during a six-day test phase in the real intelligent building

Systemdienstleistungserbringung durch intelligente Gebäude

Die vorliegende Arbeit analysiert die Auswirkungen intelligenter Gebäude auf Niederspannungsnetze und nutzt diese um im Kontext einer technisch, topologisch und koordinativ ausgestalteten Netzampel ein Portfolio an Systemdienstleistungen mittels eines regionalen Energiemanagementsystems zu erbringen. Dieses wird mittels Referenzszenarien sowie unter Verwendung eines Software-in-a-Hardware-Loop-Aufbaus und Co-Simulation evaluiert und die Netzdienlichkeit intelligenter Gebäude demonstriert

Optimization Under Uncertainty in Building Energy Management

The introduction of decentralized energy resources as well as energy storage systems to the energy system calls for new control and coordination mechanisms and systems. This is also true for buildings. An optimized operation of buildings comprising decentralized generation and energy storage systems can be achieved by a building energy management system. It controls and coordinates the operation of individual devices in a building\u27s energy system to achieve given goals, such as the increase of energy efficiency, the decrease of carbon emissions, the minimization of operating costs or the provision of demand response measures. This thesis picks up on this idea and extends the ongoing research by presenting an approach to the optimized operation of building energy systems that includes the uncertainties in the predictions of the future energy generation and consumption into the control scheme of a building energy management system. To do so, this thesis identified the use of a scenario-based consideration of the uncertainties to be best suited. The presented approach uses a rolling horizon optimization approach with a stochastic two-stage optimization problem, which considers several forecast scenarios in the optimization

Nutzerorientiertes Energiedatenmanagement

Energiedaten sind in der Regel sensible Daten, welche die Privatsphäre der betroffenen Personen gefährden können. In dieser Arbeit wird daher ein nutzerorientiertes Energiedatenmanagementsystem vorgestellt, welches nicht nur die technischen Anforderungen erfüllt, sondern auch den Ansprüchen an Datenschutz und Privatsphäre gerecht wird

Nutzerorientiertes Energiedatenmanagement

Die geschickte Erfassung und Nutzung von Energiedaten haben im Kontext der Energiewende das Potential, das zukünftige Energiesystem intelligenter und effizienter zu machen. Gleichzeitig muss jedoch eine Reihe technischer Herausforderungen beim Umgang mit Energiedaten bewältigt werden. Darüber hinaus sind Energiedaten oft personenbezogene Daten, welche die Privatsphäre der Dateneigner gefährden können. In dieser Dissertation wird daher ein Konzept für ein Energiedatenmanagementsystem vorgestellt, welches sowohl technische als auch nutzergetriebene Anforderungen erfüllt. Das System unterstützt die Dateneigner beim Schutz ihrer Privatsphäre, ohne jedoch die Nutzbarkeit der Daten im Sinne der betroffenen Personen zu stark einzuschränken. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden hierfür zunächst die Anforderungen erarbeitet, die ein Energiedatenmanagementsystem erfüllen sollte. Die Anforderungsanalyse gliedert sich in zwei Bereiche. Zum einen wird eine technische Datenlebenszyklusanalyse durchgeführt und zum anderen werden die Interessen der von der Energiedatenerfassung betroffenen Personen untersucht. Das Ergebnis ist ein Anforderungskatalog für Energiedatenmanagementsysteme. Darauf folgend wird ein modulares Energiedatenmanagementsystem entworfen, welches die Daten im Sinne der Dateneigner verwaltet und es diesen ermöglicht, feingranular über die Weitergabe ihrer Daten zu entscheiden. Nach der Spezifikation des Konzepts wird dieses im Rahmen eines Demonstrators prototypisch umgesetzt. An den Energiedaten interessierte Parteien können bei Verwendung eines solchen Systems nicht direkt auf die Daten zugreifen. Vielmehr wird ihnen die Möglichkeit geboten, Datenanfragen bei den Dateneignern einzureichen. Die Anfragen werden durch das Energiedatenmanagementsystem im Hinblick auf die potenzielle Gefährdung der Privatsphäre geprüft. Das System nimmt hierfür eine quantitative Bewertung des Gefährdungspotentials vor und präsentiert diese den betroffenen Personen sowohl in numerischer als auch in farblich codierter Form. Die Dateneigner können daraufhin über die Weitergabe der Daten in der angefragten Aussagekraft entscheiden. Insbesondere erlaubt das System den Dateneignern, die Aussagekraft der Daten auf ein für sie akzeptables Maß zu reduzieren. Dieser Vorgang erfolgt interaktiv durch Verhandlungen zwischen Dateneigner und -interessent. Eine tatsächliche Datenweitergabe erfolgt schließlich erst nach einer ausdrücklichen Zustimmung durch die betroffenen Personen und zu den vereinbarten Konditionen. Das entworfene Konzept wird im Hinblick auf den Anforderungskatalog evaluiert. Anschließend wird geprüft, ob das System in der Lage ist, für typische Anwendungsfälle die Datenbasis zu liefern und gleichzeitig die Privatsphäre der betroffenen Personen zu schützen

Nutzerorientiertes Energiedatenmanagement

Energy data often is critical data which can negatively affect users' privacy. Therefore, this work presents a user-oriented energy data management system which does not only comply with technical requirements but also lives up to users' demands in terms of privacy and data protection

Aspekte zur Integration stationärer und mobiler Batteriespeicher in die Verteilnetze

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Fragestellungen, die mit der Integration stationärer und mobiler Batteriespeicher in die Verteilnetze einhergehen. Konkret werden planungs-, auslegungs- und betriebsrelevante Aspekte aus Sicht der Endkunden sowie der Betreiber von Ladeinfrastrukturen und Verteilnetzen in zwei wesentlichen Schwerpunkten behandelt. Im ersten Teil wird die Integration mobiler Batteriespeicher in die Verteilnetze am Fallbeispiel der Elektromobilität in Parkhäusern untersucht. Basierend auf einem Ansatz zur Modellierung des Lastgangs von in Parkhäusern ladenden Elektrofahrzeugen, werden als Planungsgrundlage der Lade- und Netzinfrastruktur, technische Richtwerte und Berechnungsparameter erarbeitet und durch wirtschaftliche Betrachtungen ergänzt. Weiterhin wird das Potential zur systemdienlichen Nutzung der aus der Verweildauer resultierenden Freiheitsgrade im Parkhaus ladender Elektrofahrzeuge beziffert und ein Ansatz zur Einhaltung von Leistungsbeschränkungen präsentiert. Im zweiten Teil wird zunächst ein Ansatz zur Nachbildung der Wirkleistungsprofile von Haushalten mit Elektrofahrzeug und Wärmepumpe vorgestellt. Darauf aufbauend wird die Wirtschaftlichkeit von Batteriespeichern in privaten Haushalten unter Beachtung verschiedener Einflussfaktoren untersucht und ein Ansatz zur analytischen Berechnung einer wirtschaftlich optimalen Batteriespeicherkapazität in Abhängigkeit von der installierten PV-Leistung und des Jahresenergiebedarfs eines Haushaltes vorgestellt. In Ergänzung dazu wird das Marktpotential privater Batteriespeicher in Deutschland bis 2030 berechnet und das Potential einer prognosebasierten Optimierung der Strombeschaffungskosten am Beispiel eines Haushaltes mit Batteriespeicher und zusätzlich vorhandenem Elektrofahrzeug und Wärmepumpe unter Berücksichtigung der Degradationskosten des Batteriespeichers beziffert und die Entwicklungsperspektive zur Bereitstellung vorhandener Flexibilität aus dem Haushalt als Netzausbaualternative bewertet. Dies führt abschließend zur technischen und wirtschaftlichen Bewertung von stationären Batteriespeichern als Netzbetriebsmittel im Vergleich mit anderen Ausbauvarianten und mit der Nutzung verschiedener Flexibilitätsoptionen