Energiemanagement im Smart Home mit KNX

Smarte Sektorkopplung mit KNX - Elektrizität + Heizung + Verkehr

Energiewende, Klimaschutz, Sektorkopplung - Schlag-worte weisen auf den Umschwung in der Energiewirt-schaft hin. Die Umstellung von fossiler Energie auf Ökostrom betrifft auch Gebäude. Energieanwendungen müssen koordiniert, gemanagt und gesteuert werden. Das gilt besonders für die Elektromobilität und andere Großverbraucher. Im KNX Smart Home bieten sich dafür spezifische Lösungen an, so zum Beispiel für die Auto-La-destation im Haus. E-Ladestationen im Wohnhaus gewinnen an Bedeutung. Damit stellen sich Fragen wie: Welche Energiemengen werden gebraucht? Kann man sein Fahrzeug zu jeder Zeit laden? Wieviel Energie steht zur Verfügung? Lassen sich zeitliche Niedrigtarife für preisgünstigen Ladestrom nutzen?

Problematik mit den NetzenDen Hausanschlüssen, in der Regel mit 3x230 Volt Spannung und 63 Ampere Absicherung, stehen heute schon hohe Batteriekapazitäten bis 100 kWh gegenüber. Marktübliche Ladestationen bieten dazu Anschlussleistungen von 3,6 kW (1x230 V, 16 A) bis 22 kW (3x230 V, 32 A).

Je nach Batteriekapazität, Ladezeit und Anzahl der E-Autos wird der elektrische Hausanschluss hoch belastet. Die für E-Autos benötigte Energie kann den Gesamtverbrauch eines Wohnhauses mehr als verdoppeln. Den höheren Verbrauch müssen auch die externen Netze und die Energieversorgung verkraften.

Da elektrische Energie zunehmend mit Windkraft und Photovoltaik erzeugt wird, ist mit Schwankungen des Energieangebotes zu rechnen. In dieser Problematik bietet die E-Mobilität den Vorteil, dass sie durch flexible Ladezeiten - und zukünftig ggf. auch entsprechende Einspeisung - im Energienetz ausgleichend wirken kann.

Energiemanagement mit KNX IoTUm künftig die Netzstabilität zu sichern, müssen Energieverbraucher und Energieproduzenten über alle Netzebenen hinweg last- und zeitbezogen gemanagt werden. Im KNX Smart Home lassen sich über „KNX IoT Services" Energieteilnehmer integrieren, zum Beispiel intelligente Ladestationen. Zentrale Einheit des Energiemanagements ist ein sog. CEM (Customer Energy Manager), eine Schnittstelle zwischen intelligentem Stromnetz (S1) und dem KNX Smart Home (S2). Der CEM koordiniert das Zusammenspiel zwischen externen Vorgaben zum Energieverbrauch und dessen interner Optimierung.

Die Kommunikation erfolgt auf dem Standard „Smart Grid/ Smart Home-Architektur". Zur Sicherung der Interoperabilität erarbeiten internationale Arbeitsgruppen der Normungsgremien CEN / CENELEC TC 205 / WG 18, an denen auch KNX teilnimmt, entsprechende Datenmodelle und Optimierungsstrategien.

OptimierungsprinzipDer Optimierungsablauf folgt einem relativ einfachen Prinzip, ein CEM fragt Energieteilnehmer nach deren benötigten Leistungen für einen bestimmten Zeitraum ab. Das sind zum Beispiel Verbraucher wie Hausgeräte, Wärmepumpen und Warmwasserbereiter oder Energieproduzenten, wie Photovoltaikanlage, Energiespeicher oder die Ladestationen der E-Autos. Die so übereinandergelegten Energieprofile für Verbrauch/ Erzeugung lassen sich nun mittels Informationen über voraussichtlich verfügbare Energie- und Tarifangebote optimieren. Dies geschieht durch Vorgabe von Energie/Zeitprofilen, welche aus nebeneinander gereihten Abschnitten (Slots) bestehen. Jeder Slot definiert dabei die in diesem Zeitabschnitt benötigte Energiemenge.

Ladesequenzen Die E-Mobilität mit ihren flexiblen Lademöglichkeiten gibt ein anschauliches Beispiel im Bild 3 für das Verfahren mit diesen Profilen wieder. Idealerweise sind smarte Ladestationen mit KNX IoT Services in das Smart Home integriert. Der Zentrale (CEM) stehen Energieangebote mit Kosten und Zeiten zur Verfügung. Das sind HT, NT und künftig spezielle E-Mobil-Ladetarife. Wollen alle Fahrzeuge bei NT vollladen, würde das Netz überlastet. Deshalb nutzt Fahrzeug 1 (grün), das kurzfristig geladen werden muss, zwar einen Teil des NT, muss aber im HT fertig laden. Fahrzeug 2 (blau) mit längerer Zeit für den Ladeprozess steht eine alternative Ladesequenz zur Verfügung. Es kann ebenfalls teilweise den NT nutzen, überspringt aber dann den HT und tankt beim nächsten NT fertig. Dieses Verfahren schont nicht nur die Finanzen der Fahrzeughalter, sondern gleicht Über- und Unterangebote elektrischer Energie aus und trägt so zur Netzstabilität bei.

FazitZur Vermeidung von Spitzenlastüberschreitungen, aber auch zur wirtschaftlichen Energienutzung müssen Energieverbräuche automatisiert gemanagt werden. Basis für ein aktives und komplexes Energiemanagement ist die Gebäudeautomation mit KNX. KNX IoT Services gewährleisten dabei auch künftig die Integration möglichst aller Energie-Teilnehmer.

E-Auto intelligent aufladenMit smarten Ladestationen und Ladesäulen stehen wichtige Pro-tokolle zur Verfügung. Damit kann zum Beispiel eine Nutzungsberechtigung geprüft, ein Ladevorgang kontrolliert und sogar der Energiebezug geregelt werden. KNX mit KNX IoT Services kann dafür entsprechende Auswerteinheiten zur Verfügung stellen. So lässt sich die Säule abhängig vom persönlichen Nutzerverhalten steuern. Eine Visualisierung mit Diagrammen und Grafiken schafft Übersicht über ladbare Energiemengen, prozentuale Ladezustände und persönliche Nutzung. Es lässt sich auch verfügbare Energie zum Beispiel aus einer Photovoltaikanlage anzeigen.