Prosumer-Lab – Einfluss neuartiger Strategien und Komponenten des Energiemanagements von netzintegrierten, intelligenten Gebäuden auf die Stabilität und Qualität des Haus- und Verteilnetzes

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501434
• Projekttitel Englisch: Prosumer-Lab – Influence of novel strategies and components of the energy management of grid-integrated, smart buildings on the stability and quality of the house and distribution grids

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Im Rahmen dieses Projektes werden Grundlagen, Strategien und Komponenten erforscht, entwickelt und unter kontrollierten Bedingungen verglichen, um den Eigenverbrauch in intelligenten Gebäuden mittels Energiemanagementsystemen unter Berücksichtigung des gesamten Netzverhaltens (Verteil- und Hausnetz) zu optimieren. Die Wechselwirkung zwischen dem Verteilnetz und dem Hausnetz wird dabei im Speziellen untersucht, so dass eine optimale Integration von Prosumenten in Verteilnetze ermöglicht wird. Zudem werden die sozio-ökonomischen Auswirkungen des Verhaltens einer grösseren Gruppe von Prosumenten mit ihren individuellen Optimierungsalgorithmen auf das Verteilnetz und auf die bestehenden Geschäftsmodelle von Verteilnetzbetreibern identifiziert und analysiert.

Publikationen / Ergebnisse (Deutsch)

Zugehörige Dokumente

• Fachartikel "Wenn Algorithmen den PV-Verbrauch steuern" [PDF] 2'433 kB

Publikationen / Ergebnisse (Englisch)

Zugehörige Dokumente

• Focus report: Distribution Grid Integration [PDF] 5'685 kB
• Focus report: Energy Management in the Building [PDF] 2'338 kB
• Focus report: Socio-economic Business Models for Utility Companies [PDF] 1'576 kB
• Article "When Algorithms Control PV Consumption" [PDF] 2'413 kB

Schlussbericht (Deutsch)

lm Rahmen dieses Projektes werden Grundlagen, Strategien und Komponenten erforscht, entwickelt und unter kontrollierten Bedingungen verglichen, um den Eigenverbrauch in intelligenten Gebäuden mittels Energiemanagementsystemen unter Berücksichtigung des gesamten Netzverhaltens so zu optimieren, dass eine optimale lntegration von Prosumenten in Verteilnetze ermöglicht wird. Zudem werden die sozio-ökonomischen Auswirkungen des Verhaltens einer grösseren Gruppe von Prosumenten mit ihren individuellen Optimierungsalgorithmen auf das Verteilnetz und auf die bestehenden Geschäftsmodelle von Verteilnetzbetreibern identifiziert und analysiert. Im BFH-Zentrum Energiespeicherung in Biel wurde ein Hardware-In-The-Loop (HIL) Prüfstand eingerichtet, welcher es ermöglicht, das Zusammenspiel verschiedener Hardwarekomponenten eines Prosumenten in einer realistischen Umgebung zu testen. Der Prüfstand unterstützt die Analyse, den Vergleich und die Entwicklung von Systemkomponenten unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen.

Dedizierte Tests an drei Energiemanagementsystemen (EMS) für typische Einfamilienhäuser zusammen mit Heimspeicherlösungen verschiedener Hersteller wurden durchgeführt und bewertet, um Verbesserungspotenziale zu identifizieren. Es wurde festgestellt, dass aus rein wirtschaftlicher Sicht der Einsatz von Energiemanagement-systemen zur Erhöhung des Eigenverbrauchs für Einfamilienhäuser nicht sinnvoll erscheint. Eine korrekte Planung und Dimensionierung von Anlagenkomponenten oder die Implementierung effizienter Algorithmen zur Wärmepumpenregelung könnte bestehende Optimierungspotenziale besser ausschöpfen. Darüber hinaus würde die Standardisierung der Steuerungsschnittstellen für Wärmepumpen wesentlich dazu beitragen, das vorhandene Optimierungspotenzial zu nutzen. Bei stationären Batteriesystemen reichen einfache Regelalgorithmen, wie sie heute direkt in Haushaltsspeicherlösungen integriert sind, völlig aus, um den Eigenverbrauch zu erhöhen.

Mit Hilfe von Simulationen und Labormessungen wurde untersucht, wie EMS dazu beitragen können, die Stabilität des Verteilnetzes zu erhalten oder zu verbessern und unter welchen Anforderungen dies erreicht werden kann. Dazu wurde ein Teilnetz der BKW simuliert und ausgewertet. Die Simulationen haben gezeigt, dass der Anstieg der Spannung durch die PV-Leistung mit Hilfe eines EMS zur Erhöhung des Eigenverbrauchs (im Vergleich zur Situation ohne EMS) um fast 6% gedämpft werden kann. Bei einem EMS zur Verbesserung der Netzstabilität kann die maximale Spannung jedoch je nach Konfiguration des EMS nur um bis zu 3% reduziert werden.

Die sozioökonomischen Auswirkungen einer Vielzahl von Prosumenten wurden durch dynamische Modellierung identifiziert. Das Modell zeigt, dass der steigende Anteil von Photovoltaik- und Batteriespeichersystemen den Strombedarf der Haushalte aus dem Netz bis 2050 um 9% senken wird. Darüber hinaus wird gezeigt, dass der Anstieg der Elektrofahrzeuge (EV) den Stromverbrauch der Haushalte aus dem Netz bis 2050 um 8% erhöhen könnte.

Weitere Informationen zum Projekt Prosumer-Lab, zum Prüfstand oder zu den beteiligten Partnern sind unter www.prosumer-lab.ch oder www.prosumerlab.ch verfügbar.

Schlussbericht (Englisch)

This project seeks to research, develop and compare fundamental knowledge, methods and products in a R&D-demonstration platform. The main aim is to optimize the own consumption and to accurately assess the grid behavior in the interest of an optimized integration of decentralized prosumers. ln addition, the socio-economic impacts from a large number of prosumers applying individual optimization strategies on the distribution grid as well as the existing business models of distribution grid providers will be identified and analyzed. At the BFH Energy Storage Research Centre in Biel, a Hardware-In-The-Loop (HIL) test environment was set up which allows the interaction of various hardware components of a prosumer to be tested in a realistic environment. The test bench supports analysis, comparison and development of system components under controlled and reproducible conditions.

Dedicated testing on three commercially available energy management systems (EMS) for typical single-family houses together with home storage battery solutions from different manufacturers was done and evaluated in order to identify potential improvements. It was found that from a purely economic point of view, the use of energy management systems to increase the rate of own consumption is not sensible for single-family households. A correct planning and dimensioning of system components or the implementation of efficient algorithms for heat pump control could better exploit existing optimization potentials. Moreover, the standardization of control interfaces for heat pumps would greatly contribute to exploit the available optimization potential. As far as stationary battery systems are concerned, simple control algorithms such as those integrated directly into household storage solutions today, are fully sufficient to increase own consumption.

Simulations and laboratory measurements were used to investigate how EMS can contribute to maintain or improve the stability of the grid and under which requirements this can be achieved. To achieve this, a BKW sub-grid was simulated and evaluated. The simulations have shown that the rise of the voltage due to the PV power can be damped by almost 6 % with help of the EMS designed for increasing self-consumption (compared to the situation without EMS). With an EMS designed to improve grid stability however, the maximum voltage can be reduced only by up to 3%, depending on the configuration of the EMS.

The socio-economic impacts from a large number of prosumers have been identified by means of dynamic modelling. The model shows that the increasing share of photovoltaic and battery storage systems will decrease the household electricity demand from the grid by 9% in 2050. Furthermore, it is shown that the increase in electric vehicles (EV) potentially increases the household electricity demand from the grid by 8% in 2050.

Further information regarding the Prosumer-Lab project, test bench and the involved partners can be found at www.prosumer-lab.ch or www.prosumerlab.ch.

Zugehörige Dokumente

• Prosumer-Lab | Influence of novel strategies and components of the energy management of grid-integrated, smart buildings on the stability and quality of the house and distribution grids - Final Report [PDF] 2'022 kB

Schlussbericht (Französisch)

Ce projet vise à rechercher, développer et comparer les connaissances fondamentales, les méthodes et les systèmes dans le cadre d’une plateforme de démonstration R&D. L'objectif principal est d'optimiser la consommation propre et d'évaluer avec précision le comportement du réseau dans l'intérêt d'une intégration optimale des consommateurs décentralisés. De plus, les impacts socio-économiques d'un grand nombre de prosommateurs appliquant des stratégies d'optimisation individuelles sur le réseau de distribution ainsi que sur les modèles économiques existants des gestionnaires de réseaux de distribution seront identifiés et analysés. Au centre de recherche sur le stockage d'énergie de la BFH à Bienne, un environnement de test Hardware-In-The-Loop (HIL) a été mis en place permettant de tester l'interaction des différents composants d'un prosommateur dans un environnement réaliste. Le banc d'essai permet l'analyse, la comparaison et le développement de composants du système dans des conditions contrôlées et reproductibles. 

Des essais spécifiques sur trois gestionnaires d'énergie (EMS) disponibles dans le commerce pour des maisons unifamiliales typiques comportant des système de stockage provenant de différents fabricants ont été effectués et évalués afin d'identifier des améliorations potentielles. Il a été constaté que d'un point de vue purement économique, l'utilisation de systèmes de gestion de l'énergie pour augmenter le taux d’autoconsommation n'est pas raisonnable pour les ménages unifamiliaux. Une planification et un dimensionnement corrects des composants du système ou la mise en oeuvre d'algorithmes efficaces pour la commande des pompes à chaleur permettrait de mieux exploiter les potentiels d'optimisation existants. En outre, la standardisation des interfaces de commande des pompes à chaleur contribuerait grandement à exploiter le potentiel d'optimisation disponible. En ce qui concerne les systèmes de batteries stationnaires, des algorithmes de commande simples, tels que ceux qui sont intégrés directement dans les solutions de stockage domestiques actuelles, sont pleinement suffisants pour augmenter la consommation propre.

Des simulations et des mesures en laboratoire ont permis d'étudier comment l’EMS peut contribuer au maintien ou à l'amélioration de la stabilité du réseau et selon quelles exigences elle peut être réalisé. Pour ce faire, un sous-réseau des BKW a été simulé et évalué. Les simulations ont montré que l'augmentation de la tension due à la production PV peut être amortie de près de 6 % à l'aide d’un EMS conçu pour augmenter l'autoconsommation (par rapport à la situation sans EMS). Dans le cas d'un EMS conçu pour améliorer la stabilité du réseau, la tension maximale ne peut toutefois être réduite que de 3 %, selon la configuration de l’EMS.

Les impacts socio-économiques d'un grand nombre de prosommateurs ont été identifiés au moyen d'une modélisation dynamique. Le modèle montre que la part croissante des systèmes photovoltaïques et des systèmes de stockage réduira la demande d'électricité provenant du réseau des ménages de 9% en 2050. De plus, il est démontré que l'augmentation du nombre de véhicules électriques (EV) augmente potentiellement la demande d'électricité des ménages sur le réseau de 8% en 2050.

De plus amples informations sur le projet Prosumer-Lab, le banc de test et les partenaires associés sont disponibles aux adresses www.prosumer-lab.ch et www.prosumerlab.ch.