Das im Jahr 2017 begonnene Forschungsvorhaben „MEMAP“ verfolgt das Ziel, eine Softwareplattform zu entwickeln, die es ermöglicht, Gebäude im energetischen Verbund zu betreiben, das heißt, in nachhaltigen Quartieren. Ein Energieverbund von Gebäuden birgt erhebliche Einsparungen in der Energieversorgung, da er eine bessere Ausnutzung von regenerativen Energien wie auch von dezentralen Energieerzeugern und Energiespeichern ermöglicht. Schlussendlich lässt sich so eine wirtschaftlichere Energieversorgung bei geringerem CO₂-Ausstoß erzielen.

Um die technischen Voraussetzungen dafür zu schaffen, haben sich insgesamt sieben Unternehmen und Forschungseinrichtungen an der Entwicklung einer offenen Softwareplattform beteiligt, die die Planung und den Betrieb von Quartierslösungen ermöglichen wird. Die Multi-Energie-Management- und Aggregations-Plattform („MEMAP“) wird es erlauben, Gebäude mit unterschiedlichen Anforderungen an Energie zusammenzuschließen, um dadurch die Energieeffizienz im Verbund zu steigern. Als Testgebiet dient das Gewerbegebiet Riemerling bei München. Der Energieverbrauch der dort befindlichen fünf Gebäude wird mittels LoRa-Funktechnik minütlich erfasst. Mit den gewonnenen Lastprofilen werden Berechnungen zu einem möglichen Energieverbund erstellt. Die Lastprofile werden darüber hinaus auch im Reallabor „CoSES“ der TU München eingesetzt, um den geplanten Energieverbund realitätsnah nachzubilden und zu bewerten. Das Reallabor ermöglicht damit ideale Voraussetzungen für den Praxistest der Softwareplattform und eine Verifizierung der Energieeinsparung.

Seit Ende 2020 wird „MEMAP“ im Forschungslabor „CoSES“ (Combined Smart Energy Systems) der TU München einem Test mit realen Anlagen unterzogen. Ziel der Testläufe ist dabei eine generelle und praxistaugliche Validierung des entwickelten Kommunikations- und Schnittstellenkonzeptes im Zusammenspiel mit realer Anlagentechnik, wie Heizkessel und Blockheizkraftwerken (BHKW), sowie die generelle Prüfung der Plattformfunktionalität und der Softwarearchitektur. „MEMAP“ ist auf dem Host-Computer im Labor installiert und die Nachbildung der einzelnen Energie-Management-Systeme (EMS) erfolgt über selbst entworfene Modelle auf Basis verschiedener Software-Umgebungen (National Instruments: „LabVieW“ und „VeriStand“). Über das interne Netzwerk (Ethernet) verbindet sich die Plattform mit den EMS der einzelnen Gebäude, um – über das in der Automatisierungstechnik etablierte OPC-UA-Protokoll – die für die Optimierung benötigten Anlagendaten und die zu erwartenden Lastanforderungen der einzelnen Gebäude (Wärme und Strom) auszulesen. Über die so hergestellte Kommunikationsverbindung erhält das lokale EMS wiederum die Leistungssollwerte von der übergeordneten „MEMAP“, die das Zusammenspiel optimiert. Die Anbindung von „MEMAP“ an die EMS erfolgt mittels eines neuartigen Datenmodells völlig automatisiert.

Die Durchführung der Labortests mit realen Anlagen zeigte diverse Herausforderungen. Eine große Hürde, die es zu nehmen galt, war die zeitliche Synchronisation der Datenkommunikation zwischen „MEMAP“ und den EMS. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit den notwendigen Vorhersagen für die Optimierung relevant. Die benötigten Vorhersagen umfassen prognostizierte Verbräuche, prognostizierte Erzeugungskapazität aus erneuerbaren Energien und prognostizierte zeitvariable Preise (Abb. 2). Diese Prognosen werden im Feld dynamisch eingeholt (z.B. von Drittanbietern), für die Experimente im Laborumfeld werden im Moment fixe Zeitreihen (z. B. gemessen im Feldtest Riemerling) eingelesen. Gleichzeitig werden die Speicherzustände der realen Anlagen gemessen und an „MEMAP“ übermittelt. Die Plattform schickt Sollwerte an die Anlagen zurück.

Es muss sichergestellt werden, dass all diese Datenreihen synchron verlaufen und in „MEMAP“ stets die Daten zusammenkommen, welche sich auf den gleichen Zeitpunkt beziehen. Aufgrund der unterschiedlichen involvierten Datenquellen wird hierfür ein zentraler Trigger inklusive Zeitstempel verwendet, welcher von „MEMAP“ vorgegeben und per OPC-UA an alle involvierten Geräte gesendet wird.

Aktuell wird im Labor der Energieverbund von zwei Gebäuden betrachtet (Abb. 3). Hier ist neben zwei 800-Liter-Wärmespeichern und den beiden Wärmesenken ein Brennwertkessel mit 21 kW Leistung und ein BHKW mit 2 kW elektrischer und 5 kW thermischer Leistung vorgesehen. Zudem sind die beiden Gebäude durch Wärmeleitungen über zwei Wärmeübertrager miteinander verbunden. Auch die elektrische Seite wird bei dieser Ausbaustufe berücksichtigt – durch ein elektrisches Netz, welches die Nutzung des BHKW-Stroms zusätzlich zum öffentlichen Strom durch die emulierte Nachfrage beider Gebäude ermöglicht. Die gesamte Anlagentechnik befindet sich als reale Hardware im Labor der TU München.

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