Energiemanagementsystemen

Energiemanagementsystemen

Wat is het?

Een energiemanagementsysteem, vaak afgekort als EMS, is een systeem om energiestromen te beheren. Energiemanagementsystemen kunnen ingezet worden in allerhande contexten (bv. energiecentrales, transportnetten, …). In het kader van deze tekst focussen we op energiemanagementsystemen voor gebruik in gebouwen. Voor grotere gebouwen wordt de term Building Energy Management System (BEMS) gebruikt, terwijl bij kleinere en residentiële gebouwen meestal over een Customer Energy Management System of Home Energy Management System (CEMS/HEMS) gesproken wordt. Een EMS voor gebruik in gebouwen bestaat uit één of meerdere van volgende fysieke elementen:

• lokale controller in het gebouw
• IT-server binnen of buiten gebouw, die bereikbaar is via een lokaal IT-netwerk of het internet (‘cloud’)

Indien met een lokale controller in het gebouw gewerkt wordt, zal deze in directe verbinding staan met de nodige energiemeters (bv. digitale elektriciteitsmeter van de netbeheerder via de P1 poort, submeters in eigen beheer, …) en de aan te sturen installaties (bv. via een digitale communicatie interface of relais contacten die kunnen in- en uitgeschakeld worden).

Indien niet met een lokale controller gewerkt wordt, zal het EMS softwarematig moeten kunnen interageren met systemen die over de nodige data beschikken (bv. cloudplatform van de netbeheerder, gebouwbeheersysteem, …). Daarnaast zal het EMS de gewenste installaties ook softwarematig moeten kunnen aansturen.

Idealiter kan een EMS ook dynamische elektriciteitstarieven (bv. ‘day ahead’ prijzen) opvragen en verwerken, en stuursignalen ontvangen van partijen zoals energieleveranciers of netbeheerders.

De energiebeheersfuncties die een EMS biedt, kunnen bestaan uit:

• de visualisatie van de energiestromen, zowel ogenblikkelijk (zie Figuur 1) als historisch (zie Figuur 2)
• de aansturing van installaties op gebied van energieproductie of -verbruik

Figuur 1: Met een EMS kunnen de ogenblikkelijke energiestromen (in dit voorbeeld: elektrisch vermogen) in een gebouw gevisualiseerd worden.		Figuur 2: Met een EMS kunnen de historische energiestromen in een gebouw gevisualiseerd worden. In dit voorbeeld worden gas en elektriciteit getoond over een periode van een maand.

De visualisatie van de energiestromen zal minimaal de belangrijkste energiestromen ter hoogte van de aansluiting (van de meter) op gebouwniveau omvatten. Meer geavanceerde EMS laten ook toe om de energiestromen van afzonderlijke installaties te visualiseren. Denk hierbij aan fotovoltaïsche (PV) installaties, laadinfrastructuur voor elektrische voertuigen (EV), installaties voor ruimteverwarming en sanitair warm water, enz. Externe sturing van installaties zal typisch gedaan worden voor de installaties die het meeste energie verbruiken of produceren: PV- en WKK (WarmteKrachtKoppeling)-installaties, laadinfrastructuur voor elektrische voertuigen (zie Figuur 3), thuisbatterijen, vaatwassers, wasmachines, droogkasten, installaties voor ruimteverwarming en sanitair warm water, enz.

Figuur 3: Met een EMS kunnen installaties (extern) aangestuurd worden. Dit voorbeeld toont de gebruikersinterface van een EMS die de laadpaal voor een EV extern aanstuurt.

Hoe werkt het?

Om de visualisatie- en sturingsfuncties te kunnen realiseren, moet een EMS enkele technische stappen uitvoeren. Eerst moeten de relevante gegevens verzameld en opgeslagen worden (datacaptatie). Vervolgens moeten deze gegevens verwerkt worden (dataverwerking). Tot slot moeten de gegevens gebruikt kunnen worden voor visualisatie en sturing.

Datacaptatie

Datacaptatie bestaat onder meer uit het verzamelen van de data van de relevante meters, zoals elektriciteitsmeters, gasmeters, stookoliemeters en watermeters. Zowel meters ter hoogte van het aansluiting van het gebouw op het net (of de opslagtank) als bijkomende (sub)meters op installatieniveau zijn hierbij mogelijks relevant. Sommige elektrische installaties (bv. PV-installaties en laadpalen voor elektrische voertuigen) beschikken over een ingebouwde energiemeter.

Daarnaast zullen meer geavanceerde energiemanagementsystemen ook relevante data capteren van (online) bronnen buiten het gebouw. Denk hierbij aan weergegevens of dynamische elektriciteitstarieven.

Ook de wensen van de gebruiker worden gecapteerd: hij kan rechtstreeks ingrijpen (manuele override) of bepaalde instellingen aanpassen.

Dataverwerking

Eenvoudige dataverwerking kan bestaan uit het vertalen van ruwe data zoals een pulssignaal naar een meterstand. De meterstanddata moet vaak ook nog omgezet worden in een ogenblikkelijk vermogen of een debiet. Omgekeerd is het ook mogelijk dat continue meetdata zoals vermogen (W), stroom (A), spanning (V) of debiet (l/min) verwerkt moet worden tot een meterstand (bv. kWh of m³). Daarnaast moeten de verschillende databronnen vaak gecombineerd worden om relevante parameters (bv. het zelfverbruik) te berekenen en wordt historische data gelogd op verschillende tijdsschalen (bv. dag/maand/jaar).

Meer geavanceerde dataverwerking kan onder andere bestaan uit het maken van voorspellingen op basis van meteorologische gegevens of het berekenen van een optimale stuurstrategie uitgaande van verschillende parameters zoals:

• beschikbaarheid hernieuwbare energie,
• maximaal piekvermogen ter hoogte van de aansluiting,
• tijdsafhankelijke tarieven of externe stuursignalen vanuit het net,
• beperkingen qua timing voor de aangestuurde toestellen (bv. gewenste laadtoestand elektrisch voertuig of eindtijd wasmachine) of flexibiliteit in aanstuurbaarheid (een gestarte wasmachine moet de hele cyclus doorlopen, vele toestellen vereisen een vastgelegd vermogen, …)
• gebruikspatronen (bv. benodigde hoeveelheid sanitair warm water, bezetting gebouw, …)
• …

Eenvoudige dataverwerking zal typisch op de lokale controller gebeuren. Meer geavanceerde dataverwerking kan eveneens op de lokale controller uitgevoerd worden mits deze over voldoende reken- en opslagcapaciteit beschikt. Eventueel kan men voor geavanceerde dataverwerking ook beroep doen op de rekenkracht van een IT-server (lokaal of in de cloud).

Visualisatie

De verwerkte data wordt gevisualiseerd in een gebruikersinterface. Deze interface kan enkel lokaal beschikbaar zijn, bijvoorbeeld via een bedieningspaneel of een webserver op de lokale controller. De interface kan eventueel ook vanop om het even welke locatie raadpleegbaar zijn via het internet. Zie voorgaande en onderstaande figuren voor voorbeelden van visualisaties in smartphone apps en websites.

Figuur 4: Voorbeeld van visualisatie in een gebruikersinterface: dit dashboard toont de dagelijkse (historische) elektrische energiestromen (bovenaan verbruik, onderaan opwekking) in een woning met installaties voor PV, EV en batterij-opslag.

Sturing Op basis van de verwerkte data, kan het EMS ook installaties (bijkomend: parallel aan de normale regeling van het toestel zelf) aansturen. De manier waarop installaties aangestuurd kunnen worden, hangt af van het type installatie: aan/uit sturing (bv. wasmachine, vaatwasmachine, niet-moduleerbare elektrisch weerstandselementen) discrete sturing (bv. selectie bedrijfsmodus warmtepomp, vaste vermogensreductie laadpaal) continue sturing (bv. moduleerbare elektrische weerstandselementen, moduleerbare laadpaal, moduleerbare WKK)

Figuur 5: Voorbeeld van een continue sturing: deze grafiek toont hoe het laadvermogen van een laadpaal (met aangesloten voertuig vanaf iets na 15u) afgestemd wordt op de beschikbaarheid van zonne-energie uit de PV-installatie.

Digitale communicatie

Een EMS kan pas functioneel zijn wanneer het digitaal in verbinding staat met de meters en installaties in het gebouw die data aanleveren en/of die aangestuurd kunnen worden.

Deze digitale communicatie kan direct gebeuren tussen het betreffende toestel en het EMS, of er kan gebruik gemaakt worden van tussenliggende verwerkingsmodules.

Zowel bekabelde communicatie als draadloze communicatie zijn mogelijk. Op het laagste niveau kunnen in geval van bekabelde communicatie bijvoorbeeld rechtstreeks pulssignalen van een metertoestel uitgelezen worden of kan een installatie aangestuurd worden via het sluiten van een elektrisch contact (bv. het geval bij de ‘SG Ready’ standaard voor warmtepompen). Ook meer geavanceerde protocollen voor bekabelde communicatie zoals Modbus of Ethernet kunnen gebruikt worden. Voor draadloze communicatie kan onder meer beroep gedaan worden op protocollen zoals LoRaWAN, Zigbee of Wi-Fi. In de applicatielaag kunnen specifieke (softwarematige) protocollen voor energiemanagement gebruikt worden zoals o.a. EEBUS en OCPP.

Aandachtspunten

Bij een EMS systeem is het cruciaal dat het digitaal in verbinding staat (kan ‘praten’) met de relevante meters en installaties. Belangrijke aandachtspunten hierbij zijn interoperabiliteit, compatibiliteit en openheid. In een ideale wereld kunnen alle systemen en componenten feilloos digitaal met elkaar communiceren, maar in praktijk blijken er toch nog een aantal struikelblokken te zijn. Zich goed informeren over dit thema (zie links bij ‘meer informatie’), en er aandacht aan besteden bij de keuze van commerciële producten (het EMS én de andere installaties in het gebouw voor zover mogelijk), is dan ook een belangrijk aandachtspunt.

Voor de externe aansturing van installaties, is het belangrijk om te weten dat de meeste installaties ook over een interne regeling of sturing beschikken. Deze interne sturing kan belangrijk zijn voor het garanderen van het comfort (bv. binnentemperaturen) en de veiligheid (bv. temperatuurlimieten sanitair warm water) van de eindgebruikers. Daarnaast kan een interne regeling ook belangrijk zijn voor de energie-efficiënte werking (bv. aanvoer- en retourtemperatuur bij ruimteverwarming) en de levensduur van installaties (bv. minimale inschakeltijd warmtepomp). Het is dan ook belangrijk dat een externe sturing vanuit een EMS die aspecten van de interne sturing van een installatie niet gaat tegenwerken of teniet doen. Fabrikanten van toestellen zullen in dat geval bezwaren kunnen maken in het kader van hun garantiebepalingen.

De kostprijs van een EMS zal onder andere afhangen van hoe geavanceerd de visualisatie- en sturingsfuncties dienen te zijn. Eenvoudige lokale controllers die bijvoorbeeld enkel een visualisatiefunctie bieden of zich beperken tot een eenvoudige sturing (bv. inschakelen boiler) op basis van één of enkele parameters (bv. elektrische energie die geïnjecteerd wordt in het net) zullen typisch een stuk goedkoper zijn dan geavanceerdere lokale controllers met meerdere communicatie-interfaces, een lokale webserver en verbinding met een IT-server op het internet (cloudconnectiviteit). Vaak zullen geavanceerdere oplossingen zich niet beperken tot de typische EMS functies, maar ook andere functies bieden, waardoor ze op het domein van de domoticasystemen en gebouwbeheersystemen komen. Cloudconnectiviteit kan gratis zijn, of kan gepaard gaan met een (meestal beperkte) abonnementskost, die men soms pas na een bepaalde periode begint aan te rekenen.

Meer informatie

Basisbrochure met informatie over CEMS:
Installateur – Maakjemeterslim

Database van commercieel beschikbare EMS systemen:
Bekijk En Vergelijk – Maakjemeterslim

Meer informatie over de premie ‘Sturing Elektrische Warmte’:
Premie sturing elektrische warmte | Fluvius

Document dat meer uitleg geeft bij de begrippen interoperabiliteit, compatibiliteit en openheid:
Publicaties en artikels – Smart Buildings In Use