Der Forschungsschwerpunkt Cloud-basierte Energienetze

Speith, Leon Otis et al. Article — Published Version Der Forschungsschwerpunkt Cloud-basierte Energienetze HMD Praxis der Wirtschaftsinformatik Provided in Cooperation with: Springer Nature Suggested Citation: Speith, Leon Otis et al. (2024) : Der Forschungsschwerpunkt Cloud-basierte Energienetze, HMD Praxis der Wirtschaftsinformatik, ISSN 2198-2775, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, Wiesbaden, Vol. 61, Iss. 4, pp. 991-1001, https://doi.org/10.1365/s40702-024-01080-5 This Version is available at: https://hdl.handle.net/10419/315894 Standard-Nutzungsbedingungen: Die Dokumente auf EconStor dürfen zu eigenen wissenschaftlichen Zwecken und zum Privatgebrauch gespeichert und kopiert werden. Sie dürfen die Dokumente nicht für öffentliche oder kommerzielle Zwecke vervielfältigen, öffentlich ausstellen, öffentlich zugänglich machen, vertreiben oder anderweitig nutzen. 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If the documents have been made available under an Open Content Licence (especially Creative Commons Licences), you may exercise further usage rights as specified in the indicated licence. http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/deed.de SCHWERPUNKT https://doi.org/10.1365/s40702-024-01080-5 HMD Praxis der Wirtschaftsinformatik (2024) 61:991–1001 Der Forschungsschwerpunkt Cloud-basierte Energienetze Leon Otis Speith · Christoph Hericks · Seyed Saeed Mirsafian · Martin Kiel · Torsten Füg · Vinod Rajamani · Yves Rosefort · Markus Thoben Eingegangen: 25. Januar 2024 / Angenommen: 26. April 2024 / Online publiziert: 30. Mai 2024 © The Author(s) 2024 Zusammenfassung Eine der größten Herausforderungen der heutigen Zeit ist die nachhaltige und zugleich sichere Versorgung mit Energie. Die unter dem Stichwort Energiewende zusammengefassten Handlungsfelder sind dabei vielfältig und interdisziplinär. Häufig werden in diesem Kontext einzelne Technologien in den Fokus gerückt und deren Vorzüge als „Game-Changer“ angepriesen. Die Komplexität des Themas lässt dabei häufig die Sicht auf das gesamte System außer acht. Aus dieser Motivation heraus wurde der Forschungsschwerpunkt Cloud-basierte Energienetze an der Fachhochschule Dortmund (2024) geschaffen. Dieser Artikel beschreibt neben den beteiligten Laboren und Forschern die Beweggründe für das Projekt, die geplanten Projektziele sowie erste Ansätze für die notwendige Infrastruktur, die für diesen Forschungsschwerpunkt an der Fachhochschule Dortmund geschaffen wird. Schlüsselwörter Energieeffizienz · Energiesysteme · Dezentrale Energiesysteme · Cloud · Vernetzung Abstract One of the greatest challenges of our time is the sustainable yet secure supply of energy. The fields of action summarized under the term energy transition are diverse and interdisciplinary. Often, in this context, individual technologies are spotlighted and touted as “game changers”. The complexity of the topic all too often obscures the view of the entire system. Motivated by this, the research focus on cloud-based energy networks (2024)was established at the Dortmund University of Applied Sciences. Leon Otis Speith · Christoph Hericks · Martin Kiel · Torsten Füg Fachbereich Elektrotechnik, Fachhochschule Dortmund, Dortmund, Deutschland E-Mail: [email protected] Seyed Saeed Mirsafian · Vinod Rajamani · Yves Rosefort · Markus Thoben Fachbereich Maschinenbau , Fachhochschule Dortmund, Dortmund, Deutschland K 992 L. O. Speith et al. This article describes the laboratories and researchers involved, the reasons for the project, the planned project objectives, as well as initial approaches for the necessary infrastructure to be established for this research focus at the Dortmund University of Applied Sciences. Keywords Energy efficiency · Energy networks · Microgrids 1 Motivation „Bringt der Turbolader den Durchbruch der Brennstoffzelle?“ berichtete das Handelsblatt Ende Mai 2023 (Handelsblatt 2023). Ein halbes Jahr später liest man in der Autobild: „Wann kommt der Wunderakku für kurze Ladezeiten und große Reichweiten?“ (Autobild 2023). Solche Schlagzeilen spiegeln den Diskurs der Experten in der Energiewende wieder. Scheinbar existiert ein Kampf der Technologien, welche nun den Durchbruch zu einer Welt der saubereren Energie bringt. Dabei ist die Realität dahinter deutlich komplizierter. Energieund Leistungsdichte spielen ebenso eine Rolle wie Lebensdauer, Zyklenfestigkeit und Wirkungsgrad. Und letztlich werden Entscheidungen aufgrund des Faktors Kosten getroffen. Entscheidend für die Energieversorgung sind hierbei die Gestehungskosten, deren Augenblickswert aufgrund der Fluktuation von Solarund Windenergie deutlich schwanken kann. Das Gelingen der Energiewende ist somit eine Frage des Zusammenspiels vieler Komponenten und damit eine systemische Frage. Zu deren Beantwortung gibt es viele Ansätze, welche die unterschiedlichen Technologien hinsichtlich Ihrer jeweiligen Gestehungskosten in Abhängigkeit der örtlichen Gegebenheiten betrachten (vgl. z.B. Stadler et al. 2022). An der Fachhochschule Dortmund entsteht aus diesen Überlegungen heraus eine Cloud-basierte Lösung, um eine ganzheitliche Betrachtung der Energiewelt zu ermöglichen. Die Vernetzung über eine Cloud ermöglicht hierbei die Interaktion mehrerer räumlich getrennter Labore unterschiedlicher Fachbereiche und stellt die Basis einer wachstumsfähigen Infrastruktur dar. 2Projektidee Die Interdisziplinarität im Berufsbild des Ingenieurs ist heutzutage nicht mehr wegzudenken. Man denke beispielsweise an die Entwicklung der Elektromobilität und den dafür erforderlichen Ausbau der Lade-Infrastruktur. Ingenieure des klassischen Maschinenbaus können den erforerlichen Aufgaben längst nicht mehr alleine gerecht werden. Über tiefgreifende Kenntnisse im Bereich Fahrzeugtechnik und -Enwicklung hinaus sind vermehrt auch weiterführende Kenntnisse im Bereich Elektrotechnik und Elektronik sowie digitale Kommunikation gefordert. Dieses omnipräsente Beispiel macht deutlich, wie sich die Grenzen der einstigen ingenieurmäßigen Fachdisziplinen Elektrotechnik und Maschinenbau verschieben. Ingenieure müssen heutzutage ein interdisziplinäres Verständnis für komplexe Zusammenhänge über K Der Forschungsschwerpunkt Cloud-basierte Energienetze 993 Fachgrenzen hinaus mitbringen und in der Lage sein kooperativ mit anderen Fachleuten an spezifischen Schnittstellen zusammenzuarbeiten. 2.1 Gemeinsam Forschen und Lehren Um diesen Entwicklungen der Anforderungen an Ingenieure Rechnung zu tragen und ihre Ausbildung dementsprechend anzupassen haben sich die beiden Fachbereiche Elektrotechnik und Maschinenbau der Fachhochschule Dortmund miteinander ausgetauscht und gemeinschaftlich das Forschungsprojekt Cloud-basierte Energienetze geschaffen. Erklärtes Ziel der Projektteilnehmer ist hierbei die enge Zusammenarbeit beider Fachbereiche. Dies geschieht zum einen auf digitaler Basis durch Erschaffung einer zentralen Cloud zum Datenaustausch über die Grenzen der Fachbereiche hinaus. Zum anderen soll ein vernetztes Real-Labor entstehen, das unter anderem die Labore der Projektteilnehmer auf Ebene von Steuerung und Lastflüssen miteinander verbindet. Langfristig sollen in dem Forschungsschwerpunkt Cloudbasierte Energienetze fachbereichsübergreifend weitere Labore der Fachhochschule integriert werden und fachhochschulweit eine Plattform für anwendugsorientierte Forschung entstehen. Zudem soll die im Rahmen des Forschungsprojekts entstehende Infrastruktur auch die Basis für interdisziplinäre und projektorientierte Lehre bilden. Gemeinsame Schnittmengen der Fachbereiche im Rahmen der Forschung, wie beispielsweise Elektromobilität und zugehörige Ladeinfrastruktur oder auch die Querschnittsthemen Energietechnik und Wasserstoffwirtschaft, sind klar erkennbar. Auf der einen Seite der Fachbereich Elektrotechnik, der traditionell stark durch die elektrische Energietechnik und damit eher durch stationäre Anwendungen geprägt ist und auf der anderen der Fachbereich Maschinenbau mit dem Schwerpunkt in der Fahrzeugentwicklung. Der gemeinsame Forschungsschwerpunkt trägt an dieser Stelle auch dazu bei, bestehende Kompetenzen verstärkt zu vernetzen und Synergien besser nutzbar zu machen. 2.2 Nutzen für externe Partner Dabei haben die Forschenden auch externe Projektpartner im Blick. Im Bereich der Energietechnik existieren in beiden Fachbereichen viele Kontakte zu Unternehmen jeder Größe und Rolle in der Wertschöpfungskette. Mit Bezug auf Energiesysteme ergeben sich aus Autorensicht die Kategorien „Planung“, „Betrieb“ und „Komponentenentwicklung“. 2.2.1 Planung Unternehmen, welche sich mit der Planung von Energiesystemen, ob nun zentral, dezentral oder sogar mobil auseinandersetzen, beschäftigen sich von Bedarfsund Ressourcenseite her und planen u.a. die Infrastruktur des Systems. An dieser Stelle sind langfristigen Betrachtungszeiträume mit relativ großen Zeitschritten (15 Minuten oder stundenweise bishin zu jährlicher Betrachtung, letztere für die wirtschaftliche Bewertung) notwendig. K 994 L. O. Speith et al. Hier existieren für stationäre Systeme bereits viele Software-Lösungen wie z.B. TOP-Energy,EnergyPRO,HomerPro,NepLan,Digsilent Power Factory und Plexos. Hiermit lassen sich Szenarien untersuchen, Varianten von Ausbaupfaden simulieren und unterschiedliche Topologien über den Abschreibungsoder Lebenszeitraum simulativ erproben. Die Komplexität der Simulation entsteht dabei durch das Zusammenschalten der einzelnen Komponenten, diese wiederum können relativ einfach, z.B. durch Kennlinien, modelliert sein. 2.2.2 Betrieb Unternehmungen, welche den Betrieb eines Energiesystems adressieren, betreiben und warten diese Systeme. Für Betreiber sind Optimierungen hinsichtlich der Betriebsstrategie bzw. dem Einsatz von Komponenten nur dann hilfreich, wenn diese Optimierung zum Zeitpunkt des Einsatzes auf eine hinreichend gute Prognose von Last und Erzeugung bzw. auf Betriebskosten vorhanden ist. Eine ganzheitliche Optimierung über den Betrachtungszeitraum, welche auf eine 100% zutreffende Prognose (historische Daten) zurückgreift, hilft hier nur am Anfang der Planung. Auch ist für den Betreiber wichtig, welche Ausbaumöglichkeiten es im System gibt. Hier ist die Schnittstelle zur Planung. Darüber hinaus ist ein Predictive-Maintenance-System für den Betreiber hilfreich, um eine möglichst lange Lebensdauer sicherzustellen. Auch hier sind Prognosen zum Alterungsverhalten von Komponenten wichtig. Hier entsteht eine weitere Schnittstelle zur dritten Kategorie, der Komponentenentwicklung. 2.2.3 Komponentenentwicklung Photovoltaik-Wechselrichter, Batteriespeichersysteme, Elektrolyseure, Brennstoffzellen, Notstromsysteme oder auch Ladesäulen für Elektrofahrzeuge sind Beispiele für moderne Komponenten eines Energiesystems, welche von zahlreichen Unternehmen entwickelt und produziert werden. Für diese Unternehmen ist die Rückmeldung aus Systemsicht wichtig: Worauf soll bei der Entwicklung einer Komponente Wert gelegt werden? Der Paragdigmen-Wechsel bei Photovoltaik-Wechselrichtern hinsichtlich der Wirkungsgradkennlinie bei der Einführung von Heimspeichern ist ein Beispiel hierfür. Ohne Speicher legt der Kunde hierzulande Wert auf einen guten europäischen Wirkungsgrad, der entsprechend der Wetterverhältnisse einen bestimmten Teillast-Bereich der Wirkungsgradkennlinie stärker gewichtet als andere. Beim Betrieb mit Speicher mit dem Ziel der Eigenbedarfsoptimierung rückt der kleine Leistungsbereich stärker in den Fokus, da hier der meiste Energiedurchsatz über das Jahr erfolgt. Das hat Auswirkungen auf das Design der Leistungselektronik. Komponentenentwickler müssen also von Seiten des Planers und des Betreibers möglichst genaue Anforderungen bekommen. Bei Batteriespeichern, Brennstoffzellen und Elektrolyseuren beispielsweise sind bei der Optimierung die Zielwerte wie CO2-Bilanz im Lebenszyklus, Kompaktheit, Kosten, Wirkungsgrad aber auch Dauerhaltbarkeit zu berücksichtigen. Die genaue Auslegung hängt hier sehr stark vom Einsatzgebiet und damit auch vom Lastprofil ab. Solche Lastprofile können dann K Der Forschungsschwerpunkt Cloud-basierte Energienetze 995 mit dem Cloud-basierten Energienetz erzeugt und beginnend von der Simulation bis hin zur Dauererprobung genutzt werden. 2.3 Konzept Aus diesen Überlegungen heraus entstand die Idee der Cloud-basierten Energienetze. Aus Erfahrung der Forschenden wird insbesondere die letzte Kategorie selten in den gesamten Prozess des Systemdesigns mit einbezogen. Durch eine ganzheitliche Betrachtung soll mit dem neuen Forschungsschwerpunkt versucht werden, auch an dieser Stelle Möglichkeiten für Produktinnovationen zu schaffen. Die grundsätzliche Idee des Forschungsschwerpunkts beschreibt die folgende Abb. 1. Die in der Abbildung dargestellte zentrale Cloud entsteht im Rahmen des Forschungsprojekts und stellt auch langfristig eine gemeinsame Plattform zwischen den Fachbereichen Maschinenbau und Elektrotechnik dar. Zum einen werden hierüber verschiedene Softwaremodelle diverser Energiekomponenten verknüpft. Diese existieren z.B. in Form von Matlab-Simulink, Python, Modelica oder auch Top-Energy. Zum anderen werden, ebenfalls über die Cloud, Labore der Fachbereiche sowie interne und externe Real-Labore in das geplante Energienetz eingebunden. Dies ermöglicht einen präzisen Datenaustausch sowie die zentrale Steuerung von Experimenten einzelner Labore in Echtzeit. Schlussendlich ermöglicht diese Plattform eine gesamtheitliche Betrachtung des hiesigen Energienetzes bzw. der Energiewelt. Abb. 1 Die gemeinsame Forschungsplattform Cloud-Energy-Lab der Fachbereiche Elektrotechnik und Maschinenbau K 996 L. O. Speith et al. 3 Beteiligte Labore Gemäß der Vorhabensbeschreibung des Forschungsprojekts sollen zunächst vier Labore am Standort der Fachhochschule eingebunden werden. Dabei wird jedes Labor von einem der beteiligten Professoren geleitet. Somit ist sichergestellt, dass jeder teilnehmende Professor im Rahmen des Projekts innerhalb seines individuellen Forschungsund Tätigkeitsgebiets forschen und arbeiten kann. Wie bereits erwähnt, kann das Forschungsprojekt somit auch mit der Lehre an der Fachhochschule verbunden werden. Daraus resultiert zum einen ein Mehrwert für Studierende, die eigenständig ein praxisnahes und forschungsorientiertes Thema im Rahmen des Projekts bearbeiten können. Zum anderen profitiert auch das Projekt davon, da genau definierte Arbeiten extern vergeben werden können und somit eine Entlastung der teilnehmenden Professoren und Mitarbeiter stattfindet. Der Fachbereich Elektrotechnik ist mit den Professoren Füg und Kiel am Forschungsprojekt beteiligt. Professor Dr. Torsten Füg lehrt und forscht auf dem Gebiet der Energiewirtschaft und beschäftigt sich zudem mit wirtschaftlich-technischer Investitionsrechnung und softwaregestützter Optimierung von Energiesystemen. Er ist Leiter des Labors für elektrische Energiewirtschaft, das er auch für diverse Lehrveranstaltungen nutzt. Im Rahmen des Bachelorstudiums lehrt er zum Beispiel die „Grundlagen der Energiewirtschaft“ oder „Industrielles Energiemanagement“. Im Masterstudium bietet er die Veranstaltung „Wirtschaft dezentraler Energiesysteme“ an. Professor Dr.-Ing. Martin Kiel hat sein Tätigkeitsgebiet im Bereich hybrider Energiesysteme. Als Leiter des Labors für regenerative Energiequellen stellt er einige dezentrale Energie-Komponenten zur Verfügung, die im Rahmen des Forschungsprojekts nicht nur digital sondern auch auf Hardware-Ebene in das Real-Labor eingebunden werden. Dazu zählt zum Beispiel ein Photovoltaik-Prüfstand und ein Batteriespeichersystem. Für Bachelorstudenten bietet er die Veranstaltung „Regenerative Energiequellen“ an. Im Rahmen des Masterstudiums lehrt er die Veranstaltungen „Elektrische Energiespeichersysteme“ sowie „Energieeinspeiseund Speichersysteme“. Die Professoren Rajamani, Rosefort und Thoben sind ebenfalls beteiligt und vertreten den Fachbereich Machinenbau im Forschungsprojekt. Professor Dr.-Ing. Vinod Rajamani ist berufen für das Fachgebiet „Fahrzeugdynamik und -Konstruktion“. Im Rahmen der „Fahrzeugkonstruktion“ forscht er ebenfalls an innovativen Antriebskonzepten für fahrzeugspezifische Anwendungen. Für das Projekt befasst er sich mit der Modellbildung und Optimierung von Anlagen der Wasserstofferzeugung. Zunächst wird er ein skalierbares Modell eines Elektrolyseurs zur Verfügung stellen, das digital auf Cloud-Ebene in das Projekt eingebunden wird. Professor Dr.-Ing. Yves Rosefort ist tätig als Professor für Fahrzeugantriebe und lehrt im Bachelorstudium neben „Verbrennungsmotoren 1 und 2“ auch „Thermodynamik“ als Grundlagenveranstaltung. Im Masterstudium hält er die seminaristischen Veranstaltungen „Fahzeugantriebe“ und „Energiewandlung“. Im Rahmen der „Energiewandlung“ hat er sich auf den Einsatz von Wasserstoff als Energieträger spezialisiert. Zudem unterhält er einen Prüfstand für Brennstoffzellentechnologie. K Der Forschungsschwerpunkt Cloud-basierte Energienetze 997 Dieser Prüfstand wird hardals auch softwareseitig in das Real-Labor einebunden und zusätzlich modelliert dargestellt. Professor Dr.-Ing. Markus Thoben hat die Leitung des Labors für „elektrische Antriebe und Leistungselektronik“ am Fachbereich Maschinenbau inne. Er hält sowohl im Bachelorals auch im Masterstudium Lehrveranstaltungen zur elektrischen Antriebstechnik und Leistungselektronik mit Fokus auf Anwendung in Kraftfahrzeugen. Entsprechend seinem Lehrund Forschungsgebiet betreibt er das Labor für elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik. Im Rahmen des Forschungsprojekts wird der Leistungsprüfstand für Fahrzeugantriebssyteme auf der Cloudund der Real-Labor-Ebene in das Gesamtsystem eingebunden. Professor Dr.-Ing. Sönke Gößling unterstützt das Projekt als assoziiertes Mitglied. Im Bachelorstudium lehrt er „Brennstoffzellen“ bzw. „Brennstoffzellensysteme“ wobei entsprechende Simulationen von den Studierenden entwickelt werden. Im Masterstudium werden in „Energie und Umwelttechnik“ Simulationen zum deutschen Stromnetz erstellt und in einem Masterprojekt ein energieautarker Anhänger entwickelt. 4Zeitplan Das Projekt ist in drei ineinander übergehende Hauptphasen gegliedert und hat eine geplante Laufzeit von zwei Jahren. Zu Beginn steht hierbei die sogenannte interdisziplinäre Anforderungsanalyse. In dieser Phase arbeiten alle Projektbeteiligten zusammen, um ein Grundkonstrukt als Ausgangsbasis für das Projekt zu schaffen. Es werden Ideen gesammelt und hinsichtlich ihrer Machbarkeit geprüft. Im Anschluss werden erste Konzepte zur Umsetzung erarbeitet und es erfolgen vorbereitende Maßnahmen für die zweite Phase. Die zweite Phase beschreibt den Aufbau der Infrastruktur. Hierunter fällt jegliche Umetzung der Cloud und des Reallabors. Zum Beispiel wird ein Server für den Datenaustausch aufgesetzt, der die Basis für die Vernetzung mittels der Cloud bildet. Weiterhin werden auch die Schnittstellenarbeiten zur Anbindung einzelner Komponenten an Server und Real-Labor umgesetzt. Hardwareseitig bedeutet dies den Aufbau einer physischen Infrastruktur zur Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten und der Cloud via MQTT-Protokoll. Abb. 2 Zeitplan des Projekts Cloud-basierte Energienetze K 998 L. O. Speith et al. Die dritte Hauptphase beschreibt die Erprobungsphase des Forschungsprojekts. Sie erfordert eine vollfunktional umgesetzte Infrastruktur. In dieser dritten Phase erfolgt dann neben der Erprobung auch die Anpassung, Skalierung und Variierung der Modelle und Datensätze als Berechnungsgrundlage. Planmäßig wird diese Phase gegen Ende des dritten Quartals 2024 starten. Die Abb. 2zeigt die Aufteilung der drei Hauptphasen über der Projektlaufzeit. 5 Umsetzung Derzeit befindet sich das Projekt noch in der Phase der Anforderungsanalyse. Dennoch wird bereits an der Umsetzung der Cloud-Struktur gearbeitet. Die geplante Cloud wird dabei mehrere Teile beinhalten, wie Abb. 3veranschaulicht. Die Cloud wird dabei mehrere Teile nach Themen und Funktionsgebieten beinhalten. Veröffentlichungen und Dokumente der Projektorganisation werden in einer Sciebo-Projektbox abgelegt. Sciebo ist ein für Hochschulen entwickelter CloudSpeicher, der das Zusammentragen, Bearbeiten und den Austausch gemeinsamer Daten ermöglicht (Sciebo 2024). Auf diesen Server haben alle Projektmitarbeiter Zugriff. Die Fachhochschule Dortmund verfügt für das Projekt über eine spezielle Kooperation zur Datensicherung mit den Hochschulen in Aachen. Hierbei wird das Sciebo-Ablageverzeichnis einmal täglich auf einen in Aachen stehenden Server gespiegelt, um maximale Datensicherheit zu garantieren. Für die entwickelten Modelle der einzelnen Erzeugungsund Verbrauchskomponenten wurde ein GITLab-Repository angelegt. Dieses System ermöglicht die Versionierung von Software und Datenmodellen, sowie die Datensicherung. GITLab ist ein professionelles Werkzeug, das es ermöglicht mit mehreren Personen parallel am gleichen Modellcode zu arbeiten (GitLab 2024). Um die realen Messdaten der einzelnen Systeme aufzunehmen, wurde eine Datenbank der Messdaten auf einem hochschuleigenen Server eingerichtet. Dieser ist aus der gesamten Hochschule zu erreichen, sodass alle am Standort verteilten SysAbb. 3 Schematische Darstellung der geplanten Cloud-Struktur K