Intelligente Energie: Wie können Sie Ihre Hausbatterie intelligent machen und Geld sparen?

Eine Hausbatterie könnte als "intelligent" bezeichnet werden, weil sie mit einer App verbunden ist, die es dem Hausbesitzer ermöglicht, seinen Verbrauch zu verfolgen. Aber Moment, was ist, wenn es noch mehr gibt? Werfen wir einen Blick darauf, wie man eine Batterie intelligenter machen kann, indem man sie mit externen Daten wie den täglichen Energiepreisen und dem Wetter verbindet. Dies kann den Druck auf das Netz verringern, indem der Spitzenverbrauch reduziert wird, und wenn Sie zu einem Vertrag mit dynamischer Preisgestaltung wechseln, können Sie dadurch auch Geld sparen. In diesem Blogpost zeigen wir Ihnen ein System, mit dem Sie bis zu 35 % der Stromkosten sparen können.

Demo

Das in diesem Blogpost beschriebene Simulationstool kann von jedermann verwendet werden. Gehen Sie auf https://smartenergy.ml6.eu/ und testen Sie unser Tool, indem Sie eine Simulation mit Ihren eigenen Daten durchführen.

Intro

Eine typische Hausbatterie wird aufgeladen, wenn ein Haushalt mehr Energie produziert als er verbraucht, z. B. wenn Solarzellen Strom produzieren. Die Batterie wird dann verwendet, wenn genügend Last vorhanden ist, um den Direktverbrauch aus dem Netz zu ersetzen. Wir zeigen Ihnen, dass Sie Geld sparen können, wenn Sie zu einem Vertrag mit dynamischer Preisgestaltung wechseln, indem Sie eine Batterie zu Zeiten niedriger Energiekosten proaktiv aus dem Netz aufladen, anstatt bei hohen Energiepreisen direkt aus dem Netz zu verbrauchen.

In diesem Artikel wird erklärt, was dynamische Preisgestaltung ist, es wird ein Überblick darüber gegeben, wie ein intelligentes Steuergerät gebaut werden kann, das mit dem Wechselrichter einer Batterie kommuniziert und sein Verhalten steuert, und es wird anhand einer Simulation gezeigt, wie diese Technologie Geld sparen kann.

Dynamische Preisgestaltung

In verschiedenen Ländern Europas stellen Energieversorger jetzt dynamische Preise auf dem privaten Markt zur Verfügung. In diesem Blogpost konzentrieren wir uns auf den belgischen Markt. Ab Oktober 2022 sind die größten Stromversorger in Belgien per Gesetz verpflichtet, einen Vertrag mit dynamischer Preisgestaltung anzubieten. Dynamische Verträge sind Verträge, bei denen der Preis pro Stunde festgelegt wird. Die Preise werden am Vortag festgelegt und auf der Grundlage der Vorhersage für den nächsten Tag für die Stromerzeugung und den Stromverbrauch bestimmt. Der Grund dafür, dass es diesen Vertrag gibt, ist der grüne Übergang und die Unterbrechung der erneuerbaren Energiequellen. Auf diese Weise können Privatpersonen oder Unternehmen ihren Energieverbrauch an den Preis anpassen, was bedeutet, dass sie ihren Verbrauch an die Zeiten anpassen, in denen die Stromerzeugung aus Sonne und Wind hoch und/oder der Verbrauch niedrig ist. Auf diese Weise wird der Druck auf das Netz durch die Verringerung des Spitzenverbrauchs gesenkt.

Verbrauchen Sie Strom zu einer bestimmten Zeit des Tages? Dann zahlen Sie den Preis für diese Stunde. Ein dynamischer Vertrag ist nur möglich, wenn Sie einen digitalen Zähler haben. Diese Art von Vertrag ist vor allem dann interessant, wenn Sie Ihren Stromverbrauch auf der Grundlage dieser Preise anpassen können. Ein klassisches Beispiel ist das Aufladen eines Elektroautos, wenn die Preise niedrig sind, oder das Aufladen einer Hausbatterie (wie hier erklärt). In diesem Artikel wird ein dynamischer Preisvertrag von Engie verwendet, um unsere Berechnungen und Simulationen durchzuführen.

Einige wichtige Beobachtungen, die sich aus der Analyse der Day-Ahead-Preise ab 2022 ergeben, sind:

• In etwa 1 % der Fälle ist der Strompreis negativ, was bedeutet, dass Sie für den Stromverbrauch in diesen Zeitfenstern bezahlt werden können.
• Der niedrigste Preis an einem Tag liegt in der Regel zwischen 1:00 und 6:00 Uhr morgens und zwischen 12:00 und 16:00 Uhr mittags.
• Der durchschnittliche Day-Ahead-Preis für 2022 beträgt 25 Cent/kWh (ohne Nettogebühren und Steuern). Der durchschnittliche Preis, der pro Haushalt mit einem variablen Vertrag gezahlt wird, liegt bei 39 Cent/kWh. Dieser Wert ist natürlich höher, weil ein typischer Haushalt mehr Energie verbraucht, wenn die Preise hoch sind (in den verkehrsreichsten Momenten eines Tages).

Architektur

Überblick auf hoher Ebene

Die wichtigsten Bestandteile der Architektur sind:

• Wechselrichter-Client: Dieser Client ist für die Steuerung der Batterie zuständig, d. h. er teilt ihr mit, ob sie vom Netz geladen werden soll oder nicht. Der Wechselrichter einer Batterie ist die letzte Instanz, die für die Verwaltung des Ladens und Entladens der Batterie verantwortlich ist. Sie benötigen eine Verbindung zum Wechselrichter, um das Verhalten in Echtzeit ändern zu können. Dies ist der schwierigste Teil, da die Verbindung von der Marke und dem Batterietyp abhängt, die Sie haben, und daher sehr individuell werden kann.
• Haus-AssistentHome Assistant: Dies ist ein Open-Source-Framework für die Heimautomatisierung, das verwendet werden kann, um alle Daten an einem Ort zusammenzuführen. Es stellt die Verbindung zwischen all den verschiedenen Komponenten in dieser Architektur her. Es arbeitet mit MQTT, um die Kommunikation zwischen diesen Komponenten abzuwickeln. Es verfügt auch über bestehende Integrationen, wie z. B. eine Wetter-API-Integration.
• Controller: Der Controller entscheidet, welche Maßnahmen die Batterie ergreifen soll. Anhand der Eingaben (Day-Ahead-Energiepreise, Wetter, Batteriestatus, aktueller Verbrauch usw.) kann er entscheiden, ob es ein guter Zeitpunkt ist, die Batterie aus dem Netz zu laden oder nicht. An dieser Stelle entscheiden unsere intelligenten Algorithmen über eine optimale Ladestrategie, um Kosten zu sparen.
• Entso-e-Client: Dieser Client ist dafür zuständig, täglich die Day-Ahead-Preise abzurufen. Die Day-Ahead-Preise sind auf der Entsoe-Website zu finden.

Der Wechselrichter-Client und die Steuerung werden näher erläutert, um die Funktionsweise der gesamten Anlage besser zu verstehen.

Wechselrichter-Kunde

Wechselrichter sind ein Teil jeder modernen Solaranlage. Ihre Hauptfunktion ist die Umwandlung des von den Solarzellen kommenden Gleichstroms (DC) in Wechselstrom (AC), der von den meisten Haushaltsgeräten genutzt werden kann. Wenn eine Batterie Teil des Systems ist, kann der Wechselrichter die Energie, die nicht verbraucht wird, in der Batterie speichern. Umgekehrt kann er die in der Batterie gespeicherte Energie nutzen, um das Haushaltsnetz mit Strom zu versorgen.

Dieses System trifft Entscheidungen auf der Grundlage der aktuellen Produktion und des aktuellen Verbrauchs von Energie, aber dies kann verbessert werden, indem man es intelligenter macht. Hierfür mussten wir 2 Dinge tun können:

• Extrahieren Sie die Daten: Metriken über die aktuelle Solarproduktion, den Netzverbrauch, den Batteriestand usw.
• Geben Sie dem Wechselrichter Befehle: "Lade die Batterie jetzt auf X%", "Nutze die in der Batterie gespeicherte Energie", usw.

Unser Testaufbau besteht aus einem Sofar-Wechselrichter mit einer Batterie und Sonnenkollektoren. Wir brauchten einen Weg, um mit diesem System zu kommunizieren und stießen auf diese Anleitung , um ein kleines Stück Hardware zu bauen.

Im Wesentlichen handelt es sich um einen Mikrocontroller, der mit dem Wechselrichter verdrahtet ist und das Modbus-Protokoll zur Kommunikation mit dem Wechselrichter verwendet. Der Mikrocontroller ist auch an einen Nachrichtenbus (MQTT) angeschlossen, über den er die Metriken veröffentlichen und auf Befehle warten kann. Dieser Teil der Einrichtung hängt davon ab, welche Art von Wechselrichter Sie haben und welche Kommunikationsmethoden er unterstützt (einige haben z. B. WiFi, was dies vereinfacht).

Anschließend schrieben wir ein Stück Code, das für die Kommunikation mit dem Mikrocontroller (und damit auch mit dem Wechselrichter) zuständig war. Dieser Wechselrichter-Client war in der Lage, die vom Mikrocontroller veröffentlichten Daten zu lesen und sie dem Controller zur Verfügung zu stellen, während er auch auf Anweisungen des Mikrocontrollers wartete und diese an den Mikrocontroller/Inverter weitergab.

Wichtig ist, dass wir die Funktionsweise des Wechselrichters nicht stören, da dies sehr gefährlich sein kann (wie das Überladen einer Batterie). Wir lesen nur Daten und geben Befehle auf höherer Ebene, die die Standardentscheidungen des Wechselrichters außer Kraft setzen, z. B. "die Batterie 15 Minuten lang laden".

Controller

Der Controller ist dafür verantwortlich, alle Eingaben zu verarbeiten und eine Ladeentscheidung für die Batterie zu treffen. Es wurden zwei Regler implementiert: ein Basisregler mit einer einfachen Ladestrategie und ein intelligenter Regler, der eine dynamischere Kosteneinsparungsstrategie anwendet.

Der Basisregler hat nur eine Regel: die Batterie zwischen 1:00 und 6:00 Uhr morgens aufzuladen, da dies historisch gesehen der günstigste Zeitpunkt des Tages ist, um die Batterie aufzuladen. Dies wird als Basiswert für den Vergleich mit dem intelligenten Regler verwendet.

Das intelligente Steuergerät hingegen berücksichtigt zwei Dateneingaben, um die Ladestrategie zu bestimmen: den aktuellen Prozentsatz der Batterie und den günstigsten Zeitpunkt für das Laden in den nächsten Stunden. Wenn der Batteriestand niedrig ist, wird er im günstigsten Moment der nächsten Stunden laden. Je höher der Batteriestand ist, desto mehr Geduld muss es aufbringen, um den idealsten Ladezeitpunkt zu finden.

Resultate

Um die Auswirkungen unserer Einrichtung zu berechnen, haben wir einen Simulator gebaut, da die Einrichtung noch nicht genügend Daten gesammelt hat.

Simulation

Übersicht

Um zu testen, wie gut die Einrichtung funktioniert, wurde ein Simulator integriert, der verschiedene Szenarien auf der Grundlage der von einem Smart Meter von Fluvius extrahierten Verbrauchsdaten pro 15 Minuten simulieren kann. Die folgenden Szenarien werden unterstützt:

• Ein Ist-Szenario, in dem die Stromkosten eines Haushalts ohne Batterie berechnet werden.
• Ein Basisszenario, das die Stromkosten eines Haushalts mit einer Batterie und einer einfachen Ladestrategie berechnet.
• Ein intelligentes Szenario, das die Stromkosten eines Haushalts mit einer Batterie berechnet und eine intelligente Ladestrategie, bei der der intelligente Controller die Batterie auf der Grundlage der Tagespreise steuert.

Der Simulator arbeitet mit genau demselben Controller und entso-e-Client, der in unserer Echtzeitarchitektur verwendet wird. Es ist ein simulierter Wechselrichter implementiert, um den Energieverbrauch auf der Grundlage des Verbrauchs und der von der Steuerung beschlossenen Maßnahmen zu simulieren.

Ergebnisse der Simulation

Es wurde ein Dashboard erstellt, das die verschiedenen Simulationsergebnisse anzeigt und es dem Benutzer ermöglicht, den aktuellen Energieverbrauch mit einem Szenario zu vergleichen, in dem der Benutzer eine intelligente Batterie hat. Wir haben unsere Simulation für 5 verschiedene Haushalte mit einer Batterie von 10 kWh getestet und die durchschnittliche Kosteneinsparung liegt bei 35 %. Das ist ein sehr gutes erstes Ergebnis, das aber natürlich noch weiter validiert werden sollte, indem man die Echtzeitlösung testet und tatsächlich zu einem dynamischen Preisvertrag übergeht.

Möchten Sie es selbst ausprobieren? Gehen Sie auf https://smartenergy.ml6.eu/ und testen Sie unser Tool mit Ihren eigenen Daten.

Nächste Schritte

• Wir haben die Solarenergie in unseren Energiereglern und -simulationen noch nicht berücksichtigt, so dass ein nächster Schritt darin besteht, dies ebenfalls zu implementieren.
• Wir können unser Steuergerät intelligenter machen, indem wir die Wetterdaten und den aktuellen Verbrauch berücksichtigen und den zukünftigen Verbrauch vorhersagen.
• Dieses Projekt konzentrierte sich auf den B2C-Markt. Wir arbeiten auch mit Unternehmen zusammen, um ihre Energiekosten zu senken, indem sie ihre Energieflexibilität auf den Ausgleichsmärkten nutzen. Sie können sich mit uns in Verbindung setzen, wenn Sie daran interessiert sind, mit uns darüber zu sprechen.

Wie sieht die Zukunft aus?

Eine Herausforderung bei diesem Projekt bestand darin, alle Einzelheiten über die dynamische Preisgestaltung herauszufinden und eine genaue Schätzung der anfallenden Kosten vorzunehmen. Dies ist ziemlich versteckt und nicht viele Energieversorger bieten diese Art von Vertrag an. Wir haben viel über die aktuellen Angebote und Einschränkungen erfahren. Engie bietet auf seiner Website Informationen darüber an, aber bis vor kurzem war es nicht so einfach, zu diesem Vertrag zu wechseln. De Standaard erwähnte, dass Engie im Jahr 2022 weniger als 200 Kunden hatte, die diesen Vertrag nutzten. Letztendlich haben wir ein gutes Verständnis dafür, wie der Markt heute funktioniert.

Eine Herausforderung für die Zukunft besteht darin, dass wir nicht vorhersagen können, wie sich der Vertrag mit dynamischer Preisgestaltung entwickeln wird, insbesondere wenn die Preise einen Tag im Voraus auf dem Day-Ahead-Markt festgelegt werden. Wenn mehr Haushalte zu diesem Vertrag wechseln, kann das sehr vorteilhaft sein, weil der Verbrauch dann besser an die Kapazität des Netzes angepasst wird. Es ist also zu erwarten, dass dies auch in den kommenden Jahren interessant bleiben wird. Wenn aber zu viele Haushalte den Vertrag wechseln und ihren Verbrauch anpassen würden, könnte der Vertrag sehr viel uninteressanter werden, weil sich der Preis stärker angleichen würde. Die größte Ungewissheit für die Zukunft ist also, ob die Preisschwankungen auf dem Day-Ahead-Markt so interessant bleiben werden wie jetzt. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Flexibilität auf der Erzeugerseite weiter zunehmen und die Flexibilität auf der Verbraucherseite in den kommenden Jahren wahrscheinlich übertreffen wird.

Projekte zu Weihnachten

ML6 erforscht neue aufkommende Technologien, um zu untersuchen, wie KI dem Markt einen Mehrwert bieten kann. Dieses Forschungsprojekt war Teil unserer Weihnachtsprojekte. Vielen Dank an Matthias Feys, Georges Lorré, Julien Schuermans, James Branigan, Jules Van Reempts und Robbe Sneyders für ihren Beitrag zu diesem Projekt und Blogpost.

Xmas Projects sind Hackathon-ähnliche Projekte, bei denen Menschen ihre tägliche Arbeit für einige Zeit niederlegen und sich aus gemeinsamem Interesse zusammenfinden, um neue Tools zu erforschen, Technik zu lernen und etwas zu bewirken! Lesen Sie mehr darüber in diesem Blogpost über Xmas-Projekte.

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