DAS FORSCHUNGSPROJEKT

Entwicklung eines gerätespezifischen Energiemanagements für Industrie, Gewerbe, Handel & Dienstleistung (IGHD) mittels NILM
Projektdauer: 2 Jahre (Oktober 2015 – Oktober 2017)


NILM-Technologie

Die Aufschlüsselung (Disaggregation) des Gesamtstromverbrauchs von nur einem Messpunkt auf einzelne Anlagen und Geräte ist eine elegante Alternative zum Submetering. Die Kernidee der NILM-Technologie basiert auf der Annahme, dass jede Anlage oder jedes Gerät Strom und Spannung in charakteristischer Weise beeinflusst und damit eine Art „Fingerabdruck“ im Stromnetz hinterlässt. Dieser „Fingerabdruck“ wird als aggregierter Gesamtstromverbrauch von Messtechnik wie Smart Metern erfasst. Mit komplexen Algorithmen zur Mustererkennung (sog. NILM-Algorithmen) und maschinellen Lernverfahren werden die individuellen Charakteristika im Gesamtstromverbrauch aufgeschlüsselt, also disaggregiert. Die erstmalige Erkennung der Geräte erfolgt dann entweder ereignisorientiert oder nicht-ereignisorientiert. Bei der ereignisorientierten Erkennung werden die Geräte ein-/ausgeschaltet und die Signale anschließend benannt bzw. einem Gerät zugeordnet. Bei der nicht-ereignisorientierten Erkennung werden die Geräte direkt durch maschinelles Lernen ohne ein auslösendes Ereignis erkannt. Im Ergebnis werden durch die Disaggregation detaillierte Erkenntnisse gewonnen, wie hoch der Energieverbrauch einzelner Geräte ist und welche Kosten sie verursachen. So können Energieeffizienzpotenziale identifiziert und gerätespezifische Sparmaßnahmen definiert werden – ein wirklich intelligentes Energiemanagement.


PROJEKTZIELE UND -VORTEILE

Projektziele

Das Gesamtergebnis des Projekts ist ein Energiemanagementsystem, das dem Energiebeauftragten eines Unternehmens den Stromverbrauch auf einzelne Geräte und Anlagen aufschlüsselt, sodass der gerätespezifische Stromverbrauch analysiert werden kann. Eine Metastudie über 36 Einzelstudien aus Nordamerika und Europa hat ergeben, dass dadurch Einspareffekte von bis zu 12 % allein im privaten Sektor erreicht werden können. Im Industrie-, Gewerbe-, Handel- und Dienstleistungs-Sektor (IGHD-Sektor) werden noch größere Einspareffekte erwartet. Im Projekt werden zunächst drei Branchen aus dem IGHD-Sektor mit einem hohen Energieeinsparpotential identifiziert. Die Geräte und Anlagen, die in diesen Branchen zum Einsatz kommen, werden definiert und vermessen. Anschließend werden die hochfrequenten, elektrischen Merkmale der Geräte auf die Möglichkeit zur Last-Disaggregation hin untersucht. Darauf aufbauend werden zuverlässige Algorithmen entwickelt, die den Stromverbrauch der einzelnen Geräte aus dem Gesamtverbrauch separieren. Die entwickelte Messtechnik wird als Prototyp in einem Feldtest erprobt und das tatsächliche Einsparpotential beziffert.

Vorteile des Projektes

  • Messung und Analyse hochfrequenter Daten
    • Analyse verschiedener elektrischer Parameter neben der Wirkleistung
    • Nur 1 Messpunkt statt mehrerer Unterzähler
  • Schaffung neuer Analysemöglichkeiten
  • Identifikation gerätespezifischer Effizienzpotenziale


PRAXISBEISPIELE AUS INDUSTRIE, GEWERBE UND HANDEL

Ist die Klimaanlage ausgeschaltet worden? Wurde der Kühlschrank offen gelassen?

Die Situation kennt fast jeder: Man verlässt als letzter das Gebäude und glaubt, alles ausgeschaltet zu haben. Doch hat man auch wirklich an alles gedacht? Mit gerätespezifischen Verbrauchsanalysen werden Abweichungen von typischen Verbrauchsmustern für jedes Gerät einzeln identifiziert – ohne aufwändige Ursachensuche. In Kombination mit ereignis- und zeitbasierten Alarmen wird unmittelbar nach Auftreten der Abweichung ein Alarm ausgelöst, sodass rechtzeitig Maßnahmen zur Abhilfe eingeleitet werden können.

Läuft meine Anlage normal oder droht ein Ausfall?

Ob die unternehmenseigenen Anlagen oder Geräte innerhalb normaler Parameter laufen oder ein Ausfall droht, ist von enormer betriebswirtschaftlicher Bedeutung. Ein Fehlverhalten zeigt sich zuerst im gerätespezifischen Verbrauchsmuster, später auch in Veränderungen des Gesamtverbrauchs. Ändert sich bspw. das Frequenzband eines Kompressors im Normalbetrieb, kann ein drohender Produktionsausfall durch rechtzeitiges Ergreifen von Gegenmaßnahmen verhindert werden. Die alarmierten Mitarbeiter können frühzeitig die Ursache für das Fehlverhalten untersuchen. Liegt ein Bedienungsfehler vor? Gibt es Fehleinstellungen? Ist der Kompressor defekt? Zusätzlich wird das Auftreten kostenintensiver Lastspitzen durch rechtzeitiges Eingreifen verhindert.

Welcher Ablauf verursacht die meisten Kosten?

Einzelne Geräte können aufgrund ihrer Verwendung oder Aufstellort bestimmten Prozessen bzw. Anwendungen zugeordnet werden. Beispielsweise können in einem Industriebetrieb zum Prozess der Veredelung ein Kompressor und zwei Motoren gehören, zum Prozess der Fertigung dagegen fünf Kompressoren und ein Antrieb. In der Gastronomie können der Kaffeeautomat und die Kasse dem Verkaufsbereich zugeordnet sein und der Geschirrspüler der Küche. Mit der gerätespezifischen Verbrauchsanalyse können Geräte klassifiziert und Prozessen bzw. Anwendungsbereichen zugewiesen werden. Damit können Kosten verursachungsgerecht umgelegt, verglichen und Prozesse bzw. Anwendungen ganzheitlich analysiert werden. Effizienzmaßnahmen zielen dann nicht mehr auf den bloßen Austausch einzelner, ineffizienter Geräte ab, sondern auf die energetische Optimierung eines gesamten Prozesses bzw. Anwendungsbereichs mit dem zugehörigen Gerätepark.

Anwendungsfelder

Energieeffizienz

Condition Monitoring

Prozessoptimierung

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