Mit dem Format „Was bedeutet eigentlich…?“ wollen wir Ihnen Fachthemen und Begrifflichkeiten rund um das ENaQ-Projekt leicht und verständlich erklären. Heute erklären Christian Pieper und Mathias Lanezki vom OFFIS – Institut für Informatik e. V. wofür die Abkürzung „QEMS“ eigentlich steht und was die Rolle im Projektkontext ist.
Auf dem ehemaligen Fliegerhorst entsteht ein neues Stadtviertel. Ein Teil davon – das Quartier Helleheide – entwickeln wir insbesondere unter dem Aspekt Smart City. Doch was genau macht das Quartier smart bzw. intelligent? Im Beitrag zum Thema Smart City haben wir bereits festgestellt, dass es keine feste Definition gibt, sondern eher verschiedene Erklärungsansätze. Schnell rücken moderne Verkehrskonzepte zur Stauvermeidung oder die Möglichkeit, sämtliche Umgebungsinformationen mobil abzurufen in den Vordergrund. Allgemein gesagt versuchen Smart Cities die Lebensqualität ihrer Einwohner zu steigern und Routineabläufe zu erleichtern. Ein Hauptaugenmerk im Projekt ENaQ liegt zudem darin, die Umwelt zu entlasten.
Um solche Visionen zu ermöglichen, muss zunächst viel Arbeit im Hintergrund geleistet werden. Notwendigerweise gilt es, eine gemeinsame Plattform zu schaffen, die viele Bestandteile eines Wohnquartiers miteinander vernetzt. Auf diese Weise erlangte Informationen sind die Grundlage für weitere, nützliche Dienste und Technologien.
Energieversorgung
Ein wichtiger Teil dieser grundlegenden Arbeiten ist die Energieversorgung. Ganz im Sinne der Energiewende, sind für das Quartier Helleheide moderne dezentrale Energieanlagen im Gespräch. Auf Erzeugerseite wären das beispielsweise PV-Anlagen (für elektrische Energie), Blockheizkraftwerke (für elektrische und thermische Energie) oder Wärmepumpen (für thermische Energie). Hinzu kommen ergänzende Puffer, die erzeugte Energie zwischenspeichern. Dabei streben wir an, die so erzeugte Energie möglichst direkt im Quartier zu verbrauchen. Das hat Vorteile: Die lokale Nutzung erneuerbarer Energien schont die Umwelt und entlastet die umliegenden Stromnetze. Außerdem sinken die Stromkosten für Verbraucherinnen und Verbraucher, da beispielsweise eigens erzeugter überschüssiger Strom von Nachbarn verbraucht werden kann. Für die Betreiber des Energiesystems entstehen aber auch Nachteile: Sie verlassen sich auf ein komplexes System, welches dynamisch auf unterschiedliche Situationen reagieren muss, seien es Ausfälle von Anlagen oder unvorhergesehene Wetteränderungen, die die zuvor erwartete Stromerzeugung beeinflussen können. Verantwortlich für den Betrieb im Quartier Helleheide ist ein Quartiersaggregator, dessen Aufgaben schon in einem eigenen Beitrag beschrieben sind.
QEMS – Das Quartier-Energiemanagementsystem
Um komplexe Energiesysteme zu verwalten gibt es Energiemanagementsysteme. Sie unterstützen den Betreiber bei der Erfassung der Energieströme über Sensoren (beispielsweise durch intelligente Stromzähler oder Wärmemengenzähler), und sind in der Lage, Anlagen zu steuern, um die Energieeffizienz im Betrieb zu optimieren. In der Regel sind Energiemanagementsysteme für große Anlagen bzw. große intelligente Stromnetze konzipiert. Innerhalb des ENaQ-Projektes entwickelt das OFFIS daher ein Quartier-Energiemanagementsystem, welches speziell für die Verwaltung von Energiesystemen kleinerer Umgebungen optimiert ist. Dabei hat es zwei Hauptaufgaben:
1. Zum einen die Unterstützung technischer Betriebsführer*innen. An dieser Stelle geschieht die Überwachung der Zustände aller energetischen Anlagen. So können beispielsweise Fehler früh erkannt und Wartungsarbeiten ausgelöst werden.
2. Zum anderen ist die Unterstützung des Quartieraggregtors notwendig. Das System soll selbstständig auf äußere Einflüsse reagieren und das Gesamtsystem optimieren. Das beinhaltet die Minimierung des CO2-Ausstoßes, bei einer möglichst guten Energie-Eigenverbrauchsquote im Quartier.
Die hochgesteckten Ziele machen deutlich, warum eine Smart City eine gut vernetzte Infrastruktur braucht. Automatisierte Vorgänge gehen immer einher mit dem Sammeln und Auswerten von Daten – natürlich unter Beachtung der Datenschutzgrundverordnung. So muss auch das QEMS aggregierte Daten von Sensoren innerhalb des Quartiers verarbeiten. Um schließlich Optimierungen vorzunehmen, muss es außerdem in der Lage sein, verbundene Anlagen anzusteuern, also in gewissermaßen die Sprache der Anlagen zu sprechen. Dadurch ließe sich unter anderem die Energieerzeugung an den aktuellen Verbrauch der Einwohner*innen anpassen.
Neben den technischen Aufgaben, die das QEMS im Hintergrund durchführt, arbeiten die Entwickler auch an der Oberfläche, die speziell auf die Anwenderinnen und Anwender – technische Betriebsführer*innen und Aggregatoren – zugeschnitten wird. So wurden Konzepte ausgearbeitet, welche bei späteren Verwaltungsaufgaben, auch in stressigen Situationen, für Übersicht sorgen und mithilfe verständlicher Symbole leicht zu deuten sind. Abbildung 1 zeigt die Topologie einer denkbaren Energieversorgung. Die schlichte Visualisierung lenkt den Fokus in diesem Fall durch Farbwahl auf die wichtigen Elemente des Systems. Um diese Konzepte gebrauchstauglich zu machen, gab es eine enge Zusammenarbeit mit den späteren Anwender*innen auf technischer Seite.
Zusammengefasst leistet QEMS einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung des Energiekonzeptes im ENaQ-Projekt. Es bricht die Funktionalität großer Energiemanagementsysteme auf kleinere Anwendungsfälle herunter, unterstützt damit den Aggregator und die technischen Betriebsführer*innen. Eine große Herausforderung, die im Projekt gelöst wird, ist die Anbindung an die später verbauten Energieanlagen. Enge Absprachen über Wünsche und Anforderungen mit den späteren Anwenderinnen und Anwendern sorgen außerdem für eine zielorientierte Entwicklung. Auf diese Weise profitieren Netzbetreiber, die Betreiber der Energieanlagen, die Einwohner*innen und ebenso die Umwelt.
Mit dem Format „Was bedeutet eigentlich…?“ wollen wir Ihnen Fachthemen und Begrifflichkeiten rund um das ENaQ-Projekt leicht und verständlich erklären. Heute erklären Christian Pieper und Mathias Lanezki vom OFFIS – Institut für Informatik e. V. wofür die Abkürzung „QEMS“ eigentlich steht und was die Rolle im Projektkontext ist.
Auf dem ehemaligen Fliegerhorst entsteht ein neues Stadtviertel. Ein Teil davon – das Quartier Helleheide – entwickeln wir insbesondere unter dem Aspekt Smart City. Doch was genau macht das Quartier smart bzw. intelligent? Im Beitrag zum Thema Smart City haben wir bereits festgestellt, dass es keine feste Definition gibt, sondern eher verschiedene Erklärungsansätze. Schnell rücken moderne Verkehrskonzepte zur Stauvermeidung oder die Möglichkeit, sämtliche Umgebungsinformationen mobil abzurufen in den Vordergrund. Allgemein gesagt versuchen Smart Cities die Lebensqualität ihrer Einwohner zu steigern und Routineabläufe zu erleichtern. Ein Hauptaugenmerk im Projekt ENaQ liegt zudem darin, die Umwelt zu entlasten.
Um solche Visionen zu ermöglichen, muss zunächst viel Arbeit im Hintergrund geleistet werden. Notwendigerweise gilt es, eine gemeinsame Plattform zu schaffen, die viele Bestandteile eines Wohnquartiers miteinander vernetzt. Auf diese Weise erlangte Informationen sind die Grundlage für weitere, nützliche Dienste und Technologien.
Energieversorgung
Ein wichtiger Teil dieser grundlegenden Arbeiten ist die Energieversorgung. Ganz im Sinne der Energiewende, sind für das Quartier Helleheide moderne dezentrale Energieanlagen im Gespräch. Auf Erzeugerseite wären das beispielsweise PV-Anlagen (für elektrische Energie), Blockheizkraftwerke (für elektrische und thermische Energie) oder Wärmepumpen (für thermische Energie). Hinzu kommen ergänzende Puffer, die erzeugte Energie zwischenspeichern. Dabei streben wir an, die so erzeugte Energie möglichst direkt im Quartier zu verbrauchen. Das hat Vorteile: Die lokale Nutzung erneuerbarer Energien schont die Umwelt und entlastet die umliegenden Stromnetze. Außerdem sinken die Stromkosten für Verbraucherinnen und Verbraucher, da beispielsweise eigens erzeugter überschüssiger Strom von Nachbarn verbraucht werden kann. Für die Betreiber des Energiesystems entstehen aber auch Nachteile: Sie verlassen sich auf ein komplexes System, welches dynamisch auf unterschiedliche Situationen reagieren muss, seien es Ausfälle von Anlagen oder unvorhergesehene Wetteränderungen, die die zuvor erwartete Stromerzeugung beeinflussen können. Verantwortlich für den Betrieb im Quartier Helleheide ist ein Quartiersaggregator, dessen Aufgaben schon in einem eigenen Beitrag beschrieben sind.
QEMS – Das Quartier-Energiemanagementsystem
Um komplexe Energiesysteme zu verwalten gibt es Energiemanagementsysteme. Sie unterstützen den Betreiber bei der Erfassung der Energieströme über Sensoren (beispielsweise durch intelligente Stromzähler oder Wärmemengenzähler), und sind in der Lage, Anlagen zu steuern, um die Energieeffizienz im Betrieb zu optimieren. In der Regel sind Energiemanagementsysteme für große Anlagen bzw. große intelligente Stromnetze konzipiert. Innerhalb des ENaQ-Projektes entwickelt das OFFIS daher ein Quartier-Energiemanagementsystem, welches speziell für die Verwaltung von Energiesystemen kleinerer Umgebungen optimiert ist. Dabei hat es zwei Hauptaufgaben:
1. Zum einen die Unterstützung technischer Betriebsführer*innen. An dieser Stelle geschieht die Überwachung der Zustände aller energetischen Anlagen. So können beispielsweise Fehler früh erkannt und Wartungsarbeiten ausgelöst werden.
2. Zum anderen ist die Unterstützung des Quartieraggregtors notwendig. Das System soll selbstständig auf äußere Einflüsse reagieren und das Gesamtsystem optimieren. Das beinhaltet die Minimierung des CO2-Ausstoßes, bei einer möglichst guten Energie-Eigenverbrauchsquote im Quartier.
Die hochgesteckten Ziele machen deutlich, warum eine Smart City eine gut vernetzte Infrastruktur braucht. Automatisierte Vorgänge gehen immer einher mit dem Sammeln und Auswerten von Daten – natürlich unter Beachtung der Datenschutzgrundverordnung. So muss auch das QEMS aggregierte Daten von Sensoren innerhalb des Quartiers verarbeiten. Um schließlich Optimierungen vorzunehmen, muss es außerdem in der Lage sein, verbundene Anlagen anzusteuern, also in gewissermaßen die Sprache der Anlagen zu sprechen. Dadurch ließe sich unter anderem die Energieerzeugung an den aktuellen Verbrauch der Einwohner*innen anpassen.
Abbildung 1: Konzept für eine gebrauchstaugliche grafische Oberfläche, Quelle: OFFIS e.V.Neben den technischen Aufgaben, die das QEMS im Hintergrund durchführt, arbeiten die Entwickler auch an der Oberfläche, die speziell auf die Anwenderinnen und Anwender – technische Betriebsführer*innen und Aggregatoren – zugeschnitten wird. So wurden Konzepte ausgearbeitet, welche bei späteren Verwaltungsaufgaben, auch in stressigen Situationen, für Übersicht sorgen und mithilfe verständlicher Symbole leicht zu deuten sind. Abbildung 1 zeigt die Topologie einer denkbaren Energieversorgung. Die schlichte Visualisierung lenkt den Fokus in diesem Fall durch Farbwahl auf die wichtigen Elemente des Systems. Um diese Konzepte gebrauchstauglich zu machen, gab es eine enge Zusammenarbeit mit den späteren Anwender*innen auf technischer Seite.
Zusammengefasst leistet QEMS einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung des Energiekonzeptes im ENaQ-Projekt. Es bricht die Funktionalität großer Energiemanagementsysteme auf kleinere Anwendungsfälle herunter, unterstützt damit den Aggregator und die technischen Betriebsführer*innen. Eine große Herausforderung, die im Projekt gelöst wird, ist die Anbindung an die später verbauten Energieanlagen. Enge Absprachen über Wünsche und Anforderungen mit den späteren Anwenderinnen und Anwendern sorgen außerdem für eine zielorientierte Entwicklung. Auf diese Weise profitieren Netzbetreiber, die Betreiber der Energieanlagen, die Einwohner*innen und ebenso die Umwelt.
