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Die Erfindung betrifft das Betreiben eines Energiesystems, insbesondere geeignet für ein dezentrales Energiesystem.
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Die Energiewende bedingt, dass eine immer größere Anzahl an dezentralen, meist erneuerbaren Energieerzeugern und Speichersystemen in die elektrischen Stromnetze eingebunden werden müssen. Aufgrund der volatilen Natur der erneuerbaren Energiequellen muss der Strom zum Zeitpunkt seiner Erzeugung vorzugsweise gleich verbraucht, oder alternativ transportiert oder gespeichert werden. Um die Gesamtkosten eines derartigen Energiesystems zu minimieren, werden zwei wesentliche Strategien verfolgt. Zum ersten wird versucht, mittels Sektorenkopplung die Domänen der Stromversorgung mit anderen Sektoren wie Wärmeversorgung oder Verkehr zu verbinden. Durch die Kopplung dieser Sektoren kann die Energieeffizienz erhöht und somit der Bedarf an fossilen Brennstoffen verringert werden. Infolgedessen ist eine stark zunehmende Elektrifizierung einerseits des Verkehrs, z.B. mit batterieelektrischen Fahrzeugen, und andererseits auch der Wärmeerzeugung mittels Wärmepumpen oder elektrischen Heizstäben zu beobachten. Zum zweiten wird eine möglichst endverbrauchernahe Balancierung von Erzeugung und Verbrauch angestrebt, am besten schon auf Haushaltsebene, damit die Stromnetze möglichst wenig Leistung über weite Strecken transportieren müssen. Dieser Einsatz von dezentralen Energiesystemen wird auch als zellulärer Ansatz bezeichnet.
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Um ein solches sektorübergreifendes und damit komplexes Energiesystem optimal zu betreiben, können die darin enthaltenen Komponenten von einem übergeordneten Energiemanagementsystem (EMS) gesteuert werden und über entsprechende Sensorik und Konnektivität verfügen. Ein Energiemanagementsystem ist ein System, das den Endenergieverbrauch in verschiedenen Bereichen überwacht, analysiert und optimiert. Es kann eingesetzt werden, um Energiekosten zu senken, negative Umweltauswirkungen zu reduzieren und die Energieeffizienz zu verbessern. Diese Energiemanagementsysteme stellen die Prozessleitebene dar, also die Ebene, auf der die Steuerung und Überwachung der Prozesse, die Endenergie verbrauchen, speichern oder erzeugen, stattfindet. Ein Energiemanagementsystem sorgt z.B. dafür, dass elektrische und thermische Speicher im in seine Zuständigkeit fallenden Teil des dezentralen Energiesystems optimal koordiniert betrieben werden; es kann die Steuerung von Nutzenergie bereitstellenden Anlagen, Maschinen oder Geräten verantworten, sowie die Überwachung von Prozessen wie Produktion, Beleuchtung, Klimatisierung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems aufzuzeigen, welche sich insbesondere für dezentrale Energiesysteme eignet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner sind Gegenstand der Erfindung ein föderiertes Informationssystem für ein Energiesystem, eine entsprechende Vorrichtung oder ein System zur Datenverarbeitung, ein entsprechendes Computerprogramm, ein entsprechendes computerlesbares, vorzugsweise nichtflüchtiges, Informationsspeichermedium, und ein entsprechendes Übertragungssignal. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Bei dem Verfahren zum Betreiben eines Energiesystems ist in dem Energiesystem zumindest ein Betriebsmittel vorhanden, welches Nutzenergie zur Verfügung stellt, verbraucht oder speichert. Ein föderiertes Informationssystem stellt Metadaten zur Verfügung, wobei die Metadaten Inhalte mehrerer Datenbanken beschreiben. Diese Datenbanken enthalten voneinander verschiedene Informationen betreffend das zumindest eine Betriebsmittel. Das föderierte Informationssystem empfängt von einem Nutzer eine unter Verwendung der Metadaten erstellte Anfrage, welche gerichtet ist auf Daten von zumindest einer der Datenbanken. Daraufhin fordert das föderierte Informationssystem die angefragten Daten von der zumindest einen Datenbank an, empfängt diese und leitet sie an den Nutzer weiter.
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Es existiert in dem Energiesystem eines oder mehrere Betriebsmittel. Ein solches Betriebsmittel kann End- bzw. Nutzenergie zur Verfügung stellen, beispielsweise stellt eine Wärmepumpe Wärmeenergie zur Verfügung, oder eine Solaranlage stellt elektrische Energie zur Verfügung. Ein Betriebsmittel kann auch End- bzw. Nutzenergie verbrauchen, beispielsweise benötigt eine Wärmepumpe zum Betrieb elektrische Energie, ebenso eine Aufladeeinrichtung für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, und ein Gasverbraucher verbrennt Gas, um Wärmeenergie oder elektrische Energie zur Verfügung zu stellen. Ferner gibt es Betriebsmittel, die der Speicherung von Nutzenergie dienen, beispielsweise wiederaufladbare Speicher für elektrische Energie oder Wärmeenergie.
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Verschiedene Informationen über dieses zumindest eine Betriebsmittel sind in verschiedenen Datenbanken abgelegt. Hierbei betreffen die verschiedenen Informationen verschiedene Aspekte des Betriebsmittels, wie z.B. seinen Input und Output, seinen Gesundheitszustand, seine Einbettung in ein größeres System. Dementsprechend können die verschiedenen Datenbanken von Entitäten besessen werden, welche unterschiedliche Interessen an dem Betriebsmittel haben. Beispiele hierfür sind der Hersteller des Betriebsmittels, der dauerhaft für die Wartung zuständig ist, oder eine Abrechnungsstelle, welche für die Verrechnung von von dem Betriebsmittel verbrauchter Energie zuständig ist, oder ein Managementsystem, welches das Betriebsmittel zusammen mit anderen Betriebsmitteln überwacht und steuert.
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Es kommt ein föderiertes Informationssystem zum Einsatz. Ein solches Informationssystem bietet einen Zugriff auf mehrere voneinander und von dem föderierten Informationssystem unabhängige Informationsquellen. Hierzu müssen nicht die Daten dieser Informationsquellen in das föderierte Informationssystem kopiert werden. Durch das föderierte Informationssystem kann ein Nutzer zwar Informationen aus den verschiedenen Datenbanken erhalten, jedoch behalten diese ihre Selbstständigkeit und auch die Datenhoheit. Um dies zu erreichen, stellt das föderierte Informationssystem Metadaten zur Verfügung, welche die Inhalte der verschiedenen Datenbanken beschreiben. Durch Auswerten der Metadaten können also Kenntnisse über die Inhalte der verschiedenen Datenbanken gewonnen, jedoch nicht diese Inhalte an sich angesehen werden.
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Ein Nutzer des föderierten Informationssystems kann diesem eine Anfrage senden, mit welcher der Empfang von Daten aus einer oder mehreren der Datenbanken begehrt wird. Zum Erstellen dieser Anfrage kann der Nutzer die vom föderierten Informationssystem bereitgestellten Metadaten auswerten, um zu entscheiden, welche Daten aus welcher der Datenbanken er zu empfangen wünscht. Diese bestimmten Daten werden in der Anfrage spezifiziert, so dass das föderierte Informationssystem die betreffende Datenbank bzw. Datenbanken kontaktieren kann, um hiermit die angefragten Daten anzufordern. Diese werden dann, vorzugsweise unter Verwendung geeigneter Verschlüsselungs- und Sicherheitstechniken, an das föderierte Informationssystem übertragen und können von diesem an den Nutzer weitergeleitet werden.
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Das zumindest eine Betriebsmittel ist vorzugsweise Bestandteil eines dezentralen Energiesystems. Es kann sich z.B. um eine Wärmepumpe oder eine Elektroautoladevorrichtung oder eine Solaranlage oder einen elektrischen Energiespeicher oder eine Klimaanlage handeln. Ein dezentrales Energiesystem führt - im Gegensatz zu einer vollständig zentralen Energieversorgung - zumindest einen Teil der Energiebereitstellung durch kleinere Anlagen in Verbrauchernähe durch. Dies erlaubt die Bereitstellung von Nutzenergie dort, wo sie benötigt wird, außerdem erfolgt die Energiebereitstellung durch mehrere, dafür aber wesentlich kleinere Anlagen im Vergleich zentralen Energieversorgung. Das zumindest eine Betriebsmittel dient vorzugsweise der Bereitstellung von Nutzenergie, es kann jedoch zusätzlich oder alternativ Nutzenergie speichern und/oder umwandeln und/oder verbrauchen.
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Die mehreren Datenbanken speichern verschiedene Informationen über das mindestens eine Betriebsmittel. Dies kann z.B. sein:
- - Informationen über von dem Betriebsmittel zur Verfügung gestellte Nutzenergie, und/oder
- - für eine Fernwartung des Betriebsmittels verwendbare Informationen, und/oder
- - Informationen über von dem Betriebsmittel für das Zur-Verfügung-Stellen von Nutzenergie verbrauchter Energie, und/oder
- - Informationen über ein von dem Betriebsmittel mit Nutzenergie versorgtes Gebäude.
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Der Nutzer kann ein Stromnetzbetreiber sein, in welchem Fall das zumindest eine Betriebsmittel elektrische Energie als Nutzenergie zur Verfügung stellt, beispielsweise durch Übertragung oder Verteilung, verbraucht oder speichert. Der Nutzer kann auch ein Wärmenetzbetreiber sein, in welchem Fall das zumindest eine Betriebsmittel Wärmeenergie als Nutzenergie zur Verfügung stellt, beispielsweise durch Verteilung, verbraucht oder speichert. Der Nutzer kann auch ein Gasnetzbetreiber sein, in welchem Fall das zumindest eine Betriebsmittel Gas transportiert, verbraucht oder speichert. Diese genannten Nutzer können die über das föderierte Informationssystem gewonnen Informationen nutzen, um ihr jeweiliges Netz effizienter zu betreiben. Abweichend von den genannten Nutzern können auch andere Entitäten Informationen bei dem föderierten Informationssystem anfragen.
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Zur Speicherung der Metadaten eignet sich eine Datenbank, welche mittels einer speziell für das Fachgebiet der Energiesysteme entwickelten Energie-Ontologie erstellt wurde, wie beispielsweise der OEO (Open Energy Ontology).
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Die Kommunikation zwischen dem föderierten Informationssystem und den Datenbanken erfolgt vorzugsweise unter Verwendung einer Blockchain oder Distributed Ledger Technologie. Diese Technologien können für das Identitätsmanagement und die Nachvollziehbarkeit eingesetzt werden. Hiermit können die Eigentumsbeziehungen - auch ohne zentrale Stelle, der alle Akteure vertrauen - zwischen den Betreibern der Datenbanken und ihren Daten kenntlich gemacht und bewahrt werden.
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Das beanspruchte föderierte Informationssystem verfügt über Mittel, das oben erläuterte Verfahren auszuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder eine oder mehrere Funktionen, Merkmale und/oder Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer seiner Ausgestaltungen können computergestützt ablaufen. Es kann beispielsweise mittels eines oder mehrerer Computer, Prozessoren, anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASIC), digitaler Signalprozessoren (DSP) und/oder sogenannter „Field Programmable Gate Arrays“ (FPGA) ausgeführt bzw. implementiert werden. Es kann auch zumindest teilweise in einer Cloud und/oder in einer Edge-Computing-Umgebung ausgeführt werden. Für den computergestützten Ablauf kommt eines oder mehrere miteinander zusammenwirkende Computerprogramme zum Einsatz. Werden mehrere Programme verwendet, so können diese gemeinsam auf einem Computer gespeichert und von diesem ausgeführt werden, oder auch auf verschiedenen Computern an verschiedenen Orten. Da dies funktional gleichbedeutend ist, wird vorliegend im Singular „das Computergrogramm“ und „der Computer“ formuliert.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1: einen Ausschnitt aus einem Energiesystem,
- 2: ein föderiertes Informationssystem für ein Energiesystem,
- 3: ein Ablaufdiagramm.
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Es wird eine Energieversorgungsinfrastruktur, die dezentrale Energiesysteme (abgekürzt: DES) integriert, betrachtet. In einem solchen dezentralen Energiesystem wird die Energiebereitstellung und -verteilung nicht von einer zentralen Stelle ausgeführt wird, sondern sie ist auf verschiedene Orte verteilt. Dies geht beispielsweise üblicherweise mit der Nutzung von erneuerbaren Energien wie Solarenergie oder Windenergie einher. Ein dezentrales Energiesystem bietet viele Vorteile, z.B. eine höhere Sicherheit und Robustheit des Energiesystems, eine reduzierte Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen im Falle der Nutzung erneuerbarer Energieträger und eine zunehmende Unabhängigkeit von zentralen Energieversorgern.
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Viele DES haben eine vom jeweiligen Hersteller integrierte Konnektivität, die es ermöglicht, Messwerte aus diesen Anlagen von extern auszulesen oder sogar Sollwerte zur Ausführung zu bringen. Hierbei handelt es sich größtenteils um herstellerspezifische proprietäre Digitalisierungsplattformen unter Einbeziehung einer Cloudumgebung. Diese Systeme dienen hauptsächlich zur Datenerhebung für spezifische Anwendungsfälle wie zum Beispiel der Fernüberwachung der Anlagen und ermöglichen so dem Hersteller ein zusätzliches Servicegeschäft. Derartige Systeme sind beispielsweise bei Wärmepumpen, Solarwechselrichtern oder bei Ladeinfrastrukturen für Elektroautos zu finden.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Energiesystem, dessen Bestandteil ein dezentrales Energiesystem DES ist. Dieses umfasst die Wärmepumpe WP als Erzeuger von Wärmeenergie für die Gebäude B, welche jeweils thermische Energie speichern können, z.B. da sie eine ihnen eigene thermische Trägheit aufweisen. Weitere an anderen Orten befindliche Komponenten des dezentralen Energiesystems DES sind nicht in der Figur dargestellt, zur Vereinfachung ist als Betriebsmittel des dezentralen Energiesystems DES nur die Wärmepumpe WP gezeigt.
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Der Hersteller OEM der Wärmepumpe WP verfügt über ein Fernwartungssystem MAINTENANCE. Bei Inbetriebnahme der Wärmepumpe WP wird diese mit dem Fernwartungssystem MAINTENANCE verbunden. Die Wärmepumpe WP schickt Statusdaten WP STATUS DATA an das Fernwartungssystem MAINTENANCE, welche in der Datenbank DB OEM des Herstellers OEM der Wärmepumpe WP gespeichert werden. Für den Hersteller OEM dienen die Statusdaten WP STATUS DATA der Wartungsplanung. Sie zeigen den Gesundheitszustand der Wärmepumpe WP an, üblicherweise bezeichnet als SoH, State of Health, sowie elektrische Leistungsdaten, also die aktuell und in der Vergangenheit angefallene elektrische Leistungsaufnahme und Wärmeabgabe, sowie die Vor- und Rücklauftemperatur. Aus diesen Informationen ließe sich beispielsweise - für den Hersteller OEM der Wärmepumpe WP wenig relevant - prognostizieren, welchen zur Deckung ihres Wärmebedarfs benötigten Strombedarf die Gebäude B in einem bestimmten in der Zukunft liegenden Zeitraum haben werden.
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Der Stromverbrauch der Gebäude B wird mit Stromzählern E-METER erfasst, die als intelligente Messsysteme ausgeführt sind. Der für die Datenerhebung mittels der Zähler E-METER zuständige Messstellenbetreiber M-OPERATOR betreibt das Zählerdatenmanagement MDMS. Dieses in sich abgeschlossene Digitalisierungs-Ökosystem dient der Abrechnung von Energielieferungen, der Erfassung von nicht-technischen Verlusten im Energiesystem und der Bereitstellung von Energieeffizienz-Dienstleistungen. Die Messwerte METER DATA der Stromzähler E-METER werden an den Messstellenbetreiber M-OPERATOR gesendet und in der Datenbank DB M-OPERATOR abgelegt. Sie umfassen Stromverbräuche, welche z.B. alle 15 Minuten erfasst werden, in der Form von (phasenspezifischen) Wirk- und Blindleistungsmesswerten. Unter Umständen können auch die (phasenspezifischen) Spannungen am Zählpunkt erfasst und übermittelt werden. In der Datenbank DB M-OPERATOR sind die Messwerte METER DATA zusammen mit einer Identifikationsinformation des jeweiligen Stromzählers E-METER enthalten. Über diese Identifikationsinformation kann auch die Adresse des Gebäudes B ermittelt werden, dessen Stromverbrauch ein Stromzähler E-METER erfasst.
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Eine weitere, oft nur bei größeren Liegenschaften, kommerziell genutzten Gebäuden oder Industriebetrieben vorhandene isolierte Digitalisierungslösung ist das Gebäude-Management-System BUILDING MANAGEMENT. Derartige Systeme wurden mit dem Ziel aufgebaut, als Leitsystem dem Besitzer eines Gebäudes ein Visualisierungswerkzeug an die Hand zu geben. Diese sollen den Betrieb des Gebäudes B unter Einsatz der eingesetzten Assets, in der 1 also der Wärmepumpe WP, sicherstellen. Oft sind Gebäude-Management-Systeme an ein unternehmensweites ERP-System (ERP: Enterprise Resource Planning) angebunden, welches dazu verwendet wird, Geschäftsprozesse eines Unternehmens zu unterstützen und zu automatisieren. Mit der zunehmenden Komplexität der eingesetzten Assets, beispielsweise durch eine Vielzahl elektronischer Komponenten, erhöht sich die Notwendigkeit der Datenerfassung, -integration, - visualisierung und -analyse, um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit der physischen Anlagen zu verbessern.
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Ein Beispiel für eine Plattform für Gebäudemanagement ist Desigo CC von Siemens. Diese kann verwendet werden für HLK (Heizung, Lüftung, Klimatechnik), symbolisiert bei ASSET 1, den Brandschutz, symbolisiert bei ASSET 2, Gebäudesicherheit und -überwachung, symbolisiert bei ASSET 3, die Energieversorgung, symbolisiert bei ASSET 4, die Beleuchtung, symbolisiert bei ASSET 5, und auch für Assets von Drittanbietern, symbolisiert bei ASSET 6.
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In der Datenbank DB ASSETS sind, abhängig von der Art der gemanagten Assets, verschiedenartige Informationen abgelegt. Im Beispiel der 1, wo als einziges Asset die Wärmepumpe WP vorhanden ist, kann das Gebäude-Management-System BUILDING MANAGEMENT für die Temperaturregelung der Gebäude B zuständig sein. Es sind daher Informationen über die thermische Trägheit der Gebäude B vorhanden, und somit auch darüber, welche Temperaturauswirkungen in den Gebäuden B ein zeitlich verzögertes Starten der Wärmepumpe WP hat.
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Der Stromnetzbetreiber EL-COMPANY verfügt über eine große verteilte Infrastruktur an Stromleitungen und Masten POWER GRID. Ferner sind Umspannanlagen und Trafostationen SWITCH vorhanden, welche über Automatisierungstechnik und Messvorrichtungen verfügen. In der Datenbank DB POWER sind Messwerte von Strom, Spannung und Schaltstellungen abgelegt. Auf der Seite des Stromnetzbetreibers EL-COMPANY existiert ferner ein Leitsystem SCADA, das die Überwachung und Steuerung der oft räumlich weit ausgedehnten Infrastrukturen ermöglicht. Das Energieleitsystem des Stromnetzbetreibers EL-COMPANY verwendet hierzu die aus dem Feld mittels eigens hierfür verbauter Messgeräte erhobenen, übermittelten und in der Datenbank DB POWER gespeicherten Daten, wertet diese aus, und kann gegebenenfalls mittels ins Feld ausgebrachter Aktuatoren eine Fernsteuerung von technischen Systemen ermöglichen.
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Wie bereits erläutert, ist in 1 zur Vereinfachung als Betriebsmittel des dezentralen Energiesystems DES nur die Wärmepumpe WP gezeigt. Weitere Beispiele für vielfach anzutreffende Betriebsmittel eines dezentralen Energiesystems sind eine Elektroautoladeinfrastruktur, eine Solaranlage, elektrische Energiespeicher, Klimaanlagen. Außerdem kommen neben den Stromzählern üblicherweise auch Zähler für Gas und Wärme zum Einsatz, welche in 1 zur Vereinfachung nicht gezeigt sind. Ferner kann außer dem Stromnetzbetreiber EL-COMPANY auch ein Betreiber von Wärmenetz und Gasnetz vorhanden sein. Während die Beschreibung das Zur-Verfügung-Stellen von Strom für das Betreiben einer Wärmepumpe betrifft, ist das beschriebene Vorgehen auch auf Wärme und Gas anwendbar.
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Anhand der Erläuterungen zu 1 ist ersichtlich, dass es auf der Seite der Betriebsmittel eines DES eine Vielzahl an isolierten proprietären Digitalisierungslösungen gibt. Im Allgemeinen sind die Betriebsmittel eines Energiesystems die physischen Anlagen und Geräte, die für die Erzeugung, Übertragung, Speicherung und Verteilung von Energieformen verwendet werden, wie insbesondere Kraftwerke, Energiespeicher und Wärmepumpen. Jede der proprietären Digitalisierungslösungen verfügt über eine eigene „Datentonne“ in Form der erläuterten Datenbanken. Für das einzige in 1 dargestellte Betriebsmittel, die Wärmepumpe WP, existiert das Fernwartungssystem MAINTENANCE des Wärmepumpenhersteller OEM mit der Datenbank DB OEM, sowie das Zählerdatenmanagement MDMS des Messstellenbetreiber M-OPERATOR mit der Datenbank DB M-OPERATOR, sowie das Gebäude-Management-System BUILDING MANAGEMENT mit der Datenbank DB ASSETS. Nicht nur auf der Seite der Betriebsmittel gibt es diese isolierten proprietären Digitalisierungslösungen, auch auf der Seite der Infrastruktur, insbesondere die Leitsysteme SCADA. Diese verschiedenen proprietären Digitalisierungslösungen realisieren lediglich eine Datenerhebung für spezifische Anwendungsfälle und nutzen daher anwendungsspezifische Datenmodelle. Weiterhin handelt es sich um isolierte Systeme, die nicht offen für andere Unternehmen und damit andere Anwendungsfälle sind. Hierdurch geht ein großes Synergiepotenzial verloren, welches wie im Folgenden beschrieben genutzt werden kann.
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Es wird, wie in 2 dargestellt, das föderierte Informationssystem FED SYSTEM mit der Datenbank DB META DATA eingeführt. Dieses hat Zugriff auf die Datenbänke DB M-OPERATOR, DB ASSETS, DB OEM und DB POWER, in der 2 durch gestrichelte Linien zwischen den Datenbänken symbolisiert. Das Grundprinzip eines föderierten Informationssystems ist es, mehrere voneinander unabhängige Datenquellen zusammenzuführen und hierdurch eine einheitliche Sicht auf diese Daten bereitzustellen. Hierzu müssen die Daten nicht zentralisiert im föderierten Informationssystem gespeichert werden. Es ermöglicht den Nutzern des föderierten Informationssystems, auf die Daten von verschiedenen Orten aus zuzugreifen. Föderierte Informationssysteme sind derzeit in einigen Anwendungsfeldern im Einsatz; im Umfeld der Systemintegration von dezentralen Energieanlagen spielen sie noch keine Rolle, was insbesondere an dem stark regulierten Umfeld mit vielen Akteuren, z.B. Energieversorgungsnetze als natürliches Monopol, Entflechtung von Energiemarkt und Netz, und den hohen Sicherheitsanforderungen bzgl. kritischer Infrastruktur liegt.
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In der Datenbank DB META DATA findet sich die Information, welche Daten der anderen Datenbänke über das föderierte Informationssystem FED SYSTEM zur Verfügung gestellt werden können. Sie enthält Metadaten, also Informationen über die verschiedenen Datenquellen und ihren Kontext. Das föderierte Informationssystem FED SYSTEM übt somit die Funktion eines Daten Brokers aus. In Bezug auf die Datenbank DB M-OPERATOR des Messstellenbetreibers M-OPERATOR beispielsweise enthält die Datenbank DB META DATA die Informationen, für welches Gebäude mit welcher realen Adresse Stromzählerdaten zur Verfügung stehen.
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Viele Datenbanken basieren auf der Datenbanksprache SQL (Structured Query Language, auf Deutsch: Strukturierte Abfrage-Sprache). Dies ermöglicht dem föderierten Informationssystem FED SYSTEM auf einfache Weise zum einen den Aufbau und laufende Aktualisierung der Datenbank DB META DATA, und andererseits auch die Abfrage von Inhalten aus den jeweiligen Datenbanken. Aber auch bei Verwendung verschiedener Datenbanksprachen durch die Inhaber der verschiedenen Datenbanken ist die Erstellung des föderierten Informationssystems FED SYSTEM möglich, wie im Folgenden erläutert.
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Die Datenaufbereitung, also der Aufbau der Datenbank DB META DATA aus den anderen Datenbanken, kann mittels einer Wissensrepräsentation für Energiesysteme stark automatisiert stattfinden. Eine Wissensrepräsentation ist hierbei eine Methode, Wissen in einer formalen und systematischen Weise darzustellen. Hierdurch kann kostenintensives manuelles Datenengineering zur Transformation und Vernetzung von Daten größtenteils entfallen. Die Wissensrepräsentation abstrahiert von den konkreten Abfragesprachen und Datenbank-Schemata der anderen Datenbanken DB M-OPERATOR, DB ASSETS, DB OEM und DB POWER zum Zwecke der Erstellung der Metadaten für die Datenbank DB META DATA. Beim Aufbau des föderierten Informationssystems FED SYSTEM werden somit die unterschiedlichen Schemata der verschiedenen Datenquellen über ein globales Schema referenzbierbar. In der Energiedomäne sind die Schemata aufgrund der Vielzahl beteiligter Akteure durch hohe Heterogenität gekennzeichnet. Der Anwender des föderierten Informationssystems FED SYSTEM kann dann über ein globales Schema, resultierend aus einer Schematransformation bzw. -integration der Einzelschemata, auf die Daten so zugreifen, als habe er es mit einem einzigen System zu tun. Hierbei ist wesentlich, dass allen Datenbanken eines Energiesystems allgemeingültige Regeln der Physik zugrunde liegen. D.h. die Zusammenhänge zwischen verschiedenen gespeicherten Informationen müssen den physikalischen Zusammenhängen zwischen elektrischem Strom, elektrischer Spannung, elektrischer Leistung, Wärmestrom, Energieerhaltung, usw. entsprechen. Als verwendbare Wissensrepräsentation kommt z.B. eine logische Repräsentation, eine ontologische Repräsentation, oder eine graphbasierte Repräsentation in Betracht. Für Energiesysteme eignet sich insbesondere die Ontologie OEO (Open Energy Ontology) als Basis.
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Weiterhin erlaubt das föderierte Informationssystem FED SYSTEM, dass die Originaldaten bei ihrem jeweiligen Besitzer, also dem Inhaber der anderen Datenbanken DB M-OPERATOR, DB ASSETS, DB OEM und DB POWER, verbleiben und dessen Datenhoheit somit gewahrt bleibt. Vom föderierten Informationssystem FED SYSTEM werden zentral nur die für die Vernetzung, Auswahl und den Zugriff notwendigen Metadaten erzeugt und gespeichert. Das Gewähren eines konkreten Datenaustausches verbleibt beim Eigentümer der Daten und kann über das Verfolgen und fälschungssichere Dokumentieren der Transaktionen abgesichert werden. Im einfachsten Fall werden die Transaktionen, also die mit dem Datentransfer aus den Datenbanken DB M-OPERATOR, DB ASSETS, DB OEM und DB POWER verbundenen Aktionen, vom föderierten Informationssystem FED SYSTEM als zentrale Einheit verwaltet und dokumentiert. Dies setzt eine Vertrauensbasis der Inhaber der verschiedenen Datenbanken gegenüber der zentralen Einheit voraus. Falls letzteres nicht gegeben ist, kann eine Kombination von traditionellen Datenbanken mit Blockchain bzw. Distributed Ledger Technologien zum Einsatz kommen, um die Unveränderlichkeit der Daten und deren Integrität sicher zu stellen.
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Ein Nutzer des föderierten Informationssystems FED SYSTEM kann in der Datenbank DB META DATA anhand der dort befindlichen Metadaten suchen, welche Daten aus anderen Datenbänken DB M-OPERATOR, DB ASSETS, DB OEM und DB POWER ihm zur Verfügung gestellt werden können. Er stellt dann eine Anfrage an das föderierte Informationssystem FED SYSTEM nach den konkreten von ihm benötigten Daten und erhält diese daraufhin. Diese Anbindung eines Nutzers kann über einen vom föderierten Informationssystem FED SYSTEM zur Verfügung gestellten Mediator stattfinden. Ein solches Entwurfmuster wird in der Softwareentwicklungbekannter verwendet, um die Interaktion zwischen Objekten zu steuern und zu koordinieren. Er stellt eine zentrale Anlaufstelle dar, über die die Kommunikation zwischen Objekten gesteuert wird, ohne dass die Objekte direkt miteinander kommunizieren müssen. Der Mediator nimmt die Anfragen des Nutzers an das föderierte Informationssystems FED SYSTEM entgegen und beantwortet diese, indem er mit den jeweiligen Datenbanken kommuniziert.
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Im Beispiel der 2 ist der Nutzer der Stromnetzbetreiber EL-COMPANY. Zunehmend erfahren Betreiber von Verteilernetzen derzeit Schwierigkeiten mit Netzengpässen. Dies ist insbesondere dadurch bedingt, dass es aufgrund der zunehmend dezentralen Stromerzeugung viele neue Einspeiser in das Netz gibt. Die bisherige Lösung für derartige Schwierigkeiten bestand darin, die Netzkapazität durch Zubau neuer Leitungen oder Transformtoren zu erhöhen. Dies soll mittels des föderierten Informationssystems FED SYSTEM vermieden werden. Es soll unter Verwendung von von dem föderierten Informationssystem FED SYSTEM zur Verfügung gestellten Informationen eine Flexibilität hinsichtlich des Zeitpunktes des Bedarfs von elektrischer Energie geschaffen und genutzt werden. Z.B. können Ladezeitpunkte für E-Autos verschoben werden, ebenso Zeitintervalle des Betriebs von Wärmepumpen.
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Der Stromnetzbetreiber EL-COMPANY - symbolisiert durch den Doppelpfeil - stellt eine Anfrage an das föderierte Informationssystems FED SYSTEM und speichert die erhaltenen Daten in der Datenbank DB FLEX. Dies dient der Flexibilität für das Engpassmanagement. Wenn Engpässe hinsichtlich der nutzbaren Netzkapazitäten bestehen, d.h. die nachgefragte elektrische Energie am Netzanschluss temporär nicht ausreichend zur Verfügung steht, kann der Stromnetzbetreiber EL-COMPANY das oder die für den Engpass ursächlichen Netzbetriebsmittel über eine Netzzustandsschätzung im Leitsystem SCADA identifizieren, d.h. verorten. Mit der Kenntnis der Engpassstelle kann automatisch, beispielsweise über eine Distributed Energy Ressource Management System (DERMS), welches Bestandteil des Leitsystems SCADA sein kann, ermittelt werden, welche Flexibilität das dezentrale Energie-system DES bietet, womit durch eine Lastreduktion der Engpass aufgehoben werden könnte. Diese Information über die Flexibilität von Betriebsmitteln, in der hier beschriebenen Ausführung also die flexible Wärmepumpe WP, wird vom föderierten Informationssystem FED SYSTEM abgefragt und dem Stromnetzbetreiber EL-COMPANY zur Verfügung gestellt.
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Dem dezentralen Energiesystem DES kann dann Strom zum Betreiben der Wärmepumpe WP zu einem Zeitintervall zur Verfügung gestellt werden, welches nicht in den Zeitraum des Engpasses fällt. Dieser Vorgang kann sowohl vorausschauend, beispielsweise für den Folgetag, sowie reaktiv, d.h. echtzeitnah, durchgeführt werden. Die eingesparten Engpasskosten beim Stromnetzbetreiber EL-COMPANY kann dieser anteilig an die Flexibilitätsbereitsteller, also die Betreiber der Wärmepumpe WP, durch einen günstigeren Stromtarif oder Zahlungen pro Flexibilitätsabruf weitergeben. Bei steigenden bzw. hohen Strompreisen und signifikanter Einsparung von Netzausbaukosten entsteht ein beiderseitiger wirtschaftlicher Vorteil.
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Der Vorteil des erläuterten Vorgehens besteht darin, dass vorhandene heterogene Datenquellen, beispielsweise für Wartung und Instandhaltung erhobene Daten zu Parametern und Zuständen einer Flotte von Geräten eines oder mehrerer Hersteller - unter Umständen über viele Gebäude hinweg - für Anwendungsfälle in differierenden Domänen, z.B. dem Stromnetzbetrieb, nutzbar gemacht werden. Dies wird über eine geeignete Wissensrepräsentation, z.B. über Ontologien oder Wissensgraphen, ermöglicht, indem domänenspezifische Datenmodelle größtenteils automatisiert für energetische Entitäten miteinander in Beziehung gesetzt werden. Bislang existieren große Hindernisse für die Nutzung derartiger Daten, nämlich einerseits der hohe Engineering-Aufwand für die Transformation und Vernetzung von Daten aus verschiedenen Domänenkontexten und andererseits die Frage nach der Datenhoheit bzw. dem Datenschutz. Mit dem oben erläuterten Ansatz werden beide Herausforderungen adressiert und gelöst. Das beschriebene föderierte Informationssystem ermöglicht somit datenbasierten Mehrwertdiensten, domänenfremde Daten zu nutzen, ohne Abstriche bzgl. der Datenhoheit bzw. beim Datenschutz zu machen.
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Über die reine Verlinkung existierender Datenquellen hinaus besteht die Möglichkeit, die Rohdaten der angeschlossenen Datenquellen sowohl zu aggregieren als auch statistisch auszuwerten und so Mehrwertdaten zu erzeugen und in der Datenbank DB META DATA zu speichern. Derartige Mehrwertdaten können z.B. durch Aufsummieren von Verbräuchen einzelner Haushalte geschaffen werden. Mit diesem Vorgehen ist auch eine partielle Anonymisierung der Daten verbunden, die eine Verwertung außerhalb des primären Anwendungsfalles, für den die Daten ursprüngliche erhoben wurden, ermöglicht. Die Nutzung von beschreibenden Metadaten und Mehrwertdaten wie z.B. statistisch aggregierten Daten hat des Weiteren den Vorteil, Unsicherheiten und unvermeidbare Inkonsistenzen transparent zu machen und damit die Resilienz des Gesamtsystems zu erhöhen.
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Der Lösungsansatz ist hinsichtlich der Datenhaltung hybrid - hierarchisch und verteilt: es werden existierende Datenbanken bzw. -quellen genutzt, die oft domänenspezifisch die notwendigen Kommunikationsprotokolle und Schnittstellen zu den datenliefernden Geräten abstrahieren, sowie in der Regel eine Standartvorverarbeitung der Daten durchführen. Ergänzend zu der Anbindung eines Ensembles existierender Datenbanken, und somit einer verteilten Datenhaltung, gibt es zentral gehaltene Daten, nämlich zumindest die aus den verteilten Daten abgeleiteten Metadaten und gegebenenfalls durch Datenverarbeitung aus den verteilten Daten hervorgegangene Mehrwertdaten wie z.B. statistisch aggregierte Daten. Diese zentrale Datenhaltung ist von interessierten Anwendern direkt nutzbar. Die Anwender können selber Inhaber einer der verteilten Datenbanken sein, wie in 2 gezeigt, sie können jedoch auch auf das föderierte Informationssystem zugreifen, ohne diesem selber Daten einer eigenen Datenbank zur Verfügung zu stellen.
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Der Erfolg eines derartigen föderierten Informationssystems lebt von der Bereitschaft verschiedener Akteure, relevante Daten zu teilen. Eine integrierte Transaktionsplattform mit elektronischem Marktplatz ermöglicht den nötigen wirtschaftlichen Anreiz zum Teilen von Daten und schafft die hierfür erforderliche Vertrauensbasis. Als Betreiber des föderierten Informationssystems kommt ein Akteur in Frage, welcher mit keinem der anhand von 1 erläuterten Beteiligten identisch ist, d.h. weder der Hersteller OEM der Wärmepumpe WP, noch der Betreiber des Gebäude-Management-Systems BUILDING MANAGEMENT, noch der Messstellenbetreiber M-OPERATOR, noch der Stromnetzbetreiber EL-COMPANY. Dieser Akteur handelt als Datenbroker, wobei dieses Geschäftsmodell außerhalb der Reichweite der vorgestellten Erfindung ist. Alternativ kann einer der genannte bereits existierenden Standard Player des Energiesystems zusätzlich zu seiner sonstigen Tätigkeit den Betrieb des föderierten Informationssystems übernehmen.
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Mit dem seit einiger Zeit vermehrt zu beobachtenden Trend zu dezentralen Energiesystemen wird zukünftig auch verstärkt die Integration der Energiesektoren Strom, Wärme, Kälte und Verkehr einhergehen, da diese unter anderem physikalisch über die Elektrifizierung zunehmend wechselwirken. Bei beschränkter Netzkapazität wird dann ein Datenaustausch immer wichtiger - aus wirtschaftlichen Gründen, aber auch aus Gründen der Versorgungssicherheit und Nachhaltigkeit. Auch hilft das vorgeschlagene technische System bereits existierende Konnektivität von dezentralen Energieanlagen für vielfältige Anwendungszenarien zu nutzen. Dies ist besonders mit Blick auf die technologische Nachhaltigkeit des Energiesystems sinnvoll, denn es wird die Installation zusätzlicher IKT vermieden, was neben Kosten auch Rohstoffe und Energie für Herstellung und Betrieb der nicht benötigten Kommunikationsinfrastruktur einspart.
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Zusammenfassend zeigt 3 ein Ablaufdiagramm zu dem geschilderten Vorgehen der Erstellung und Nutzung des föderierten Informationssystems. Zunächst wird im Schritt SET UP die Datenbank DB META DATA angelegt, welche Metainformationen über die verfügbaren Informationen von anderen Datenbanken des Energiesystems enthält. Im Schritt SEARCH durchsucht ein Nutzer des föderierten Informationssystems die Datenbank DB META DATA nach für seinen Anwendungsfall relevanten verfügbaren Informationen der anderen Datenbanken und stellt eine Anfrage QUERY an das föderierte Informationssystem. Das föderierte Informationssystem identifiziert die angefragten Informationen und stellt im Schritt REQUEST eine Anfrage an diejenige Datenbank, die die angeforderten Informationen enthält. Diese werden vom föderierten Informationssystem als Informationen INFO erhalten und im Schritt FORWARD an den Nutzer weitergeleitet. Im Schritt APPLY verwendet der Nutzer diese, um daraufhin eine Maßnahme ADPAT umzusetzen.
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Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.