BFE-Projekt Prosumer-Lab Eine Emulationsumgebung für intelligente Gebäude Ankündigungstext für das Kolloquium: Das BFH-CSEM-Zentrum Energiespeicherung entwickelt Lösungen für die Energieversorgung von morgen. Mit diesen lassen sich erneuerbare Energien aus dezentraler Produktion in das Versorgungsnetz integrieren und fossile Treibstoffe im Verkehr ersetzen. Ziel ist, das Potenzial nachhaltiger Energiequellen wie Photovoltaik und Wind besser auszuschöpfen. Bei meinen Vortrag gehe ich auf verschiedene Projekte am BFH-CSEM-Zentrum Energiespeicherung ein, wobei ich das Hauptaugenmerk auf das neuste Projekt „Prosumer-Lab“ legen werde. Im Rahmen dieses noch im Aufbau stehenden Projektes sollen Grundlagen, Strategien und Komponenten erforscht und verglichen werden, um den Eigenverbrauch in intelligenten Gebäuden und die Einwirkungen auf das Verteilnetz mittels Energiemanagementsystemen zu optimieren. Zudem werden die sozio-ökonomischen Auswirkungen auf die bestehenden Geschäftsmodelle von Verteilnetzbetreibern identifiziert und analysiert. Dr. Benno J. Züger Vorstandssitzung energie-cluster.ch, Nidau, 2017-04-04 Institut für Energie- und Mobilitätsforschung / Dr. Benno J. Züger

Inhalt Motivation / Problemstellung Projektteilnehmer, Sponsoren Möglichkeiten mit der Testumgebung Modulares Konzept Erste Testresultate Lastprofilgenerator

Motivation / Problemstellung Einspeisevergütung wird immer geringer Sinkende Kosten für PV-Anlagen und Batteriespeicher  Eigenverbrauch zu maximieren lohnt sich für den Eigenheimbesitzer © manfredxy Mit dem Energiemanager, wie z.B. SolarLog von der BKW können dann Energierzeugung überwacht werden Lasten geschoben werden Füll- und Entladezeiten von Speichern gesteuert werden

Motivation / Problemstellung Maximierung des Eigenverbrauchs kann jedoch den Betrieb des Verteilnetzes unterstützen und herausfordern: Voltage Time PV Anlagen beeinflussen das Verteilnetz Richtung des Stromflusses Spannung, Frequenz, Stromqualität Wechselwirkungen zwischen Spannungsregler und Wechselrichtern im selben Verteilungsnetz können zu plötzlichen unerwünschten Stabilitätsproblemen führen. Spannungsspitzen im Verteilnetz durch gleichzeitige Abschaltung der Batterieladung  Betreiber müssen Modelle finden, die das Netz stabilisieren und neue Geschäftsmodelle unterstützen die auch für Kunden interessant sind.

Prosumer-Lab: Projektteilnehmer und Sponsoren Forschungsgruppen der Berner Fachhochschule (BFH-TI): Speicher Gruppe Prof. Dr. Andrea Vezzini Netz Gruppe Prof. Michael Höckel PV-Lab Prof. Urs Muntwyler S-Lab Prof. Dr. Stefan Grösser PV-Center (Forschungspartner) Prof. Dr. Christophe Balif BFH-CSEM-Zentrum Energie-speicherung, ESReC BKW (Industriepartner) Dr. D. Brand, M. Kauert Bernische Kraftwerke AG BFE BFE (Sponsor, P&D Projekt) Dr. Michael Moser Bundesamt für Energie CSEM: Hat eine PV Zentrum unter der Leitung von Ch. Balif Prosumer-Lab: Pilot und Demonstrationsprojekt (P&D) Zeitrahmen: 3 Jahre bis Mitte 2019 Projektkosten: 2 Mio CHF (40 % BFE, 40 % BKW, 20 % ESReC)

Was ist mit der Testumgebung möglich? Nachbildung EFH bis MFH Es fliessen richtige Ströme (max. 50 kW – Emulation, nicht Simulation) emulierte Erzeugung von Energie: PV-Profile, fest vorgegeben (Jahressituationen) Netz-Profile, fest vorgegeben (Frequenz, Harmonische, Spannung, …) emulierte Lasten: emulierte Last-Profile, fest vorgeben (Haushaltsituationen) flexibel emulierte Lasten (gesteuert durch Energiemanager) Verschieden Test Szenarien: Vergleich von Geräten (Energiemanager, elektr. Speicher, WR, …) Optimierung Eigenverbrauch Einwirkungen auf Haus- und Verteilnetz (Monitoren von Leistungs- und Erngieflüssen)

Prosumer-Lab Aufbau – ein modulares Konzept (PQ-) Messung Wechsel-richter PV Emulator Netz Grid Emulator Netz Speicher Energie-zähler Emulations- und Hardware-Infrastruktur (AC-Netz, 50 kVA) Last Energiemanager Real components are tested in a emulated environment. The computers simulate the general conditions, but the components such as the battery or inverter are built-in on site. For example, the production of a photovoltaic system can be emulated using computer driven voltage sources implementing different weather conditions. This, in turn, allows conclusions to be drawn about the effects of fluctuating production on the operation of battery packs or the stability of the distribution network. Ideal for the Prosumer-Lab is that different test scenarios with different production or load profiles can be tested faster and with equal weather and load conditions. Thus, one day can be simulated realistically and repeatedly in a few hours and in any profile combinations in real world conditions (Emulation). The interaction of components is also checked and it is possible to determine the settings to optimize the energy consumption of a building or costs. Emul.-Box (Tests) 3-phasen 4-Quadranten Last-Emulator WP Batt eMob Haus Wetter Klima Interfaces Lastprofile Datenbank

Aufbau ist noch im Gang

Erste Resultate und Beobachtungen (Starterkit) Efficiency test – VARTA Element 6 PV Emulation ACS Load Test setup Full charge and discharge cycles with 1.5 kW active power Charging with Chroma (PV Sim) and SMA inverter Discharging with Regatron ACS, symmetric phase load: 3x RL-mode: 1.5 kW, cosφ = 0.8 3x R-mode: 1.5 kW, cosφ = 1.0 Energy records: Pro380-Mod and SolarLog Grid SolarLog Pro380 Inverter Each phase can be investigated with real components in a real (or emulated) environment, what simulations cannot do. ~ = AC Battery

Erste Resultate und Beobachtungen (Starterkit) Efficiency test – VARTA Element 6 – Observations  Charge  Discharge RL mode cosφ = 0.8 R mode cosφ = 1.0 discharge charge Δ 1.2 kW R, cosφ = 1.0 Δ 0.94 kW RL, cosφ = 0.8 No difference in energy measurements for RL or R mode SolarLog: Δ 0.94 kWh (efficiency 85 %) Pro380: Δ 1.2 kWh (efficiency 81 %) Significant difference in measuring charge energy

Lastprofilgenerator: Simulationsresultate Energieverbrauch für einen Beispieltag – Mehrgenerationenhaushalt Farben: verschiedene Jahreszeiten: Blau Winter - Grün Frühling/Herbst - Rot Sommer Erster Graph (Weekday) hat noch Fehler: Boilerladung wurde falsch modeliert

Lastprofilgenerator: Simulationsresultate Energieverbrauch pro Aktivität – Mehrgenerationenhaushalt

Summary – Prosumer-Lab Projekt Die Prosumer-Lab-Emulationsumgebung ermöglicht Vergleiche und Tests von Energiemanagern und Systemkomponenten, z.B. zur Optimierung des Eigenverbrauchs wie auch Stabilisierung des Haus- und Verteilungsnetzes Testszenarien basieren auf wiederholbaren Sonnen- und Lastprofilen für Ein- oder Mehrfamilienhäusern mit individuellen Haushaltsituation bis zu einer maximalen Systemleistung von 50 kW Parallel werden sozioökonomische Aspekte des Unternehmens- Ökosystems analysiert, mit dem Ziel innovative Geschäftsmodelle für Verteilnetzbetreiber zu entwickeln Das Prosumer-Lab ist ein Beispiel für eine gute interdisziplinäre Zusammenarbeit verschiedener Forschungsgruppen und Partner.

Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Benno J. Züger Fragen: benno.zueger@bfh.ch; alejandro.santis@bfh.ch BFH-CSEM-Zentrum Energiespeicherung: www.bfh.ch/energy