Wenn das Gebäude den Energiehaushalt plant
Empa-Forschende haben einen Algorithmus entwickelt, der das Energiemanagement im Gebäude selbst übernimmt.
@Empa (Visualisierung)
Die Bedeutung von Gebäuden in einem smarten Energienetz steigt. Wie ein solches den Energiehaushalt steuert, haben die Empa-Forschenden gezeigt.
Das Verteilnetz war bislang auf Produktionsanlagen ausgerichtet, die permanent eine gewisse Menge Energie ins Stromnetz einspeisen. Damit wir unseren Energiebedarf künftig durch erneuerbare Quellen decken können, braucht es nun aber sowohl einen Ausbau der Produktionsanlagen als auch smarte Technologien, die fortwährend die Netzstabilität gewährleisten.
Automatisierte Systeme können auf der Basis von lokaler Produktion, den vorhandenen Speichermedien und der Verfügbarkeit im Netz den Stromverbrauch dahingehend optimieren, dass sowohl Netzstabilität als auch Flexibilität der Verbraucher stets gewährleistet sind. Das Gebäude stellt sicher, dass seine Bewohnenden auch bei geringer Stromproduktion warm duschen oder kochen können und die überschüssige Energie jederzeit eingespeist oder gespeichert wird, sodass die Nachfrage jederzeit gedeckt ist.
Von der Theorie in die Praxis
Um zu demonstrieren, dass solche automatisierten Systeme praxistauglich sind, haben Forschende der Abteilung «Urban Energy Systems» der Empa im NEST (grosses Bild) untersucht, inwiefern ein bewohntes Gebäude verschiedene flexible Nachfragekriterien unter einem Dach vereinen kann. Im Fokus standen dabei die Reduktion der CO₂-Emissionen, die Flexibilität der Energienachfrage sowie der Komfort der Bewohner. Mittels eines prädiktiven Kontrollalgorithmus gelang es dem Team, das Energiemanagement innerhalb des Gebäudes mit folgendem Setup zu optimieren: einer Photovoltaikanlage zur Stromproduktion, einem Batteriespeicher, einer Wärmepumpe sowie einer bidirektionalen Ladestation für E-Fahrzeuge. Die CO₂-Emissionen sollten während des Betriebs minimiert, Mindesttemperaturen in Innenräumen und für den Warmwasserspeicher eingehalten werden. Der Algorithmus berechnete das Verhalten der Bewohnenden mit ein.
Das Gebäude als Akteur
Die Empa-Forschenden hatten Erfolg. Sie konnten zeigen, dass ihr System den CO₂-Ausstoss des Gebäudes um mehr als 10 Prozent senken konnte. Mindestens genauso wichtig war die Erkenntnis, dass das Gebäude in der Lage war, vorausschauend zu kommunizieren, wann es wie viel Strom vom Netz beziehen bzw. in dieses einspeisen kann.
Um die Ergebnisse in entsprechenden Anwendungen skalierbar zu machen, müssen Gebäude künftig konsequent digitalisiert werden. Damit die dafür notwendige IT-Infrastruktur aber nicht selbst wieder grosse Mengen an CO₂ verursacht, hat sich Empa-Forscher Hanmin Cai bereits in einer anderen Studie mit dem Einsatz wiederverwendeter Hardware, namentlich alter Smartphones, für die Gebäudeautomation auseinandergesetzt. Bereits heute arbeiten Cai und seine Kollegin, Federica Bellizio, daran, ihre Technologie im Rahmen des Start-ups «Kuafu» auf den Markt zu bringen.
