Protocollen voor energiemanagement

Wat is het?

Over de geleiders in een communicatiekabel worden elektrische signalen verstuurd en ontvangen. In het geval van draadloze communicatie worden elektromagnetische signalen uitgewisseld tussen antennes die aangestuurd worden vanuit elektronische circuits waarin eveneens elektrische signalen worden gebruikt.

Om het succesvol overbrengen van informatie mogelijk te maken, moeten de verstuurde signalen door de ontvanger ‘begrepen’ kunnen worden. De ‘taal’ en het afsprakenkader (bv. timing van het ‘luisteren’ en het ‘praten’) die de signalen moeten respecteren om communicatie mogelijk te maken, noemt men ook wel het (communicatie)protocol.

Om toepassingen rond energiemanagement te kunnen realiseren kan er communicatie nodig zijn met systemen buiten het gebouw, bijvoorbeeld voor het opvragen van weersvoorspellingen, het inlezen van dynamische elektriciteitstarieven of het ontvangen van specifieke stuursignalen van een energieleverancier of aanbieder van flexibiliteitsdiensten (bv. voor vraagsturingstoepassingen, zie ook de pagina over energiemanagement bij warmtepompen voor centrale verwarming).


Figuur 1: Protocollen voor energiemanagement zijn noodzakelijk voor zowel communicatie met systemen buiten het gebouw (bv. voor vraagsturing) als voor communicatie tussen systemen binnen het gebouw (bv. tussen een lokale EMS-controller en een warmtepomp).

 

Communicatie met systemen buiten het gebouw zal typisch over het internet verlopen, gebruik makend van protocollen uit de ICT-wereld (informatie- en communicatietechnologie) zoals IP (Internet Protocol) en API’s (Application Programming Interfaces). Die laatste zijn softwarematige interfaces die diensten en informatie ter beschikking stellen aan andere softwaretoepassingen en dus een manier zijn om twee softwareprogramma’s (en dus de toestellen waarop de software draait) met elkaar te laten communiceren.

Om de gewenste toepassingen te kunnen realiseren is er ook tussen systemen binnen het gebouw communicatie nodig. Denk bijvoorbeeld aan communicatie tussen energiemanagementsystemen (EMS), elektriciteitsmeters en verwarmingstoestellen zoals warmtepompen, elektroboilers en warmtepompboilers.

Meer informatie over hoe digitale communicatie met verschillende types meters gerealiseerd kan worden, is terug te vinden op de pagina’s over de betreffende meters (zie links hierboven). Op deze pagina gaan we dieper in op enkele energiemanagementprotocollen voor communicatie met verwarmingstoestellen binnen een gebouw.

Hoe werkt het?

De werking en het gebruikte communicatiemedium verschillen van protocol tot protocol. Een protocol zoals SG Ready (Smart Grid Ready) is specifiek ontworpen voor het aansturen van verwarmingstoestellen, terwijl een protocol zoals EEBUS ook voor communicatie met andere types toestellen (bv. laadinfrastructuur voor elektrische voertuigen en witgoedtoestellen zoals een wasmachine) ingezet kan worden. Hieronder lichten we een aantal veelvoorkomende protocollen voor communicatie met verwarmingstoestellen toe (niet-exhaustief):

  • SG Ready
  • EEBUS
  • Fabrikantspecifieke protocollen

SG Ready

SG Ready is een label en protocol dat uitgewerkt en beheerd wordt door het Duitse Bundesverband Wärmepumpe (BWP). Anno 2022 kent BWP het label enkel toe voor gebruik in Duitsland, Oostenrijk en Zwitserland. Een SG Ready label kan door fabrikanten aangevraagd worden voor certificatie van warmtepompen (zowel voor ruimteverwarming als voor sanitair warm water) en ook voor toestellen om een warmtepomp aan te sturen via het SG Ready protocol.
Figuur 2: SG Ready logo. Bron: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V. und BWP Marketing & Service GmbH

Om een SG Ready label te kunnen toekennen aan een bepaald toestel, moet de fabrikant ervoor zorgen dat dit toestel het SG Ready protocol respecteert en moet eveneens een financiële bijdrage betaald worden aan BWP. Producten die over een SG Ready label beschikken, zijn terug te vinden in een database op de website van BWP (zie ‘Meer informatie’ onderaan deze pagina). Anno 2022 bevat de databank meer dan 2000 toestellen en toestelreeksen.

Het SG Ready protocol wordt beschreven in een document dat gedownload kan worden op de website van BWP. Voor warmtepompen voor ruimteverwarming beschrijft het protocol vier bedrijfstoestanden, die door een externe regeling of systeem kunnen worden aangestuurd. Deze toestanden kunnen typisch geselecteerd worden door twee digitale ingangen te activeren of deactiveren op de SG Ready interface van de warmtepomp. Elke digitale ingang kent twee mogelijke schakeltoestanden: aan (1) of uit (0) waardoor er vier combinaties (1:0, 0:0, 0:1 en 1:0) mogelijk zijn die elk overeenkomen met een bedrijfstoestand.

De digitale ingangen worden bekabeld (kabel met minimum twee en typisch vier geleiders: twee per ingang) aangesloten op een extern stuurtoestel (bv. een schakelmodule binnen een EMS), waarin dan typisch twee relais met potentiaalvrije (‘droge’) contacten gebruikt worden. Op het ene contact zal door de interface in de warmtepomp (en via de aansluitkabel) een spanning gezet worden, die dan afhankelijk van de schakeltoestand van het relais als aan/uit spanningssignaal zal terugkomen via een tweede geleider in de aansluitkabel. Op deze manier kunnen de digitale ingangen op de SG Ready interface in de warmtepomp in- of uitgeschakeld worden. Eventueel kan slechts één digitale ingang gebruikt worden om te wisselen tussen twee bedrijfstoestanden.

De bedrijfstoestanden voor warmtepompen voor ruimteverwarming binnen het SG Ready protocol worden als volgt gedefinieerd:

Bedrijfstoestand 1 [schakeltoestand 1:0]

In deze bedrijfstoestand wordt de warmtepomp uitgeschakeld. In Duitsland is deze toestand inzetbaar voor zogenaamde ‘EVU-Sperre’ periodes (‘EVU’ = energieversorgungsunternehmen, ‘Sperre’ = uitschakeling). Dit zijn periodes van (minimaal 10 minuten en) maximaal 2u waarin de energieleverancier  de warmtepomp gedwongen kan stoppen om het net te kunnen stabiliseren op momenten met piekverbruik (en dit tot maximaal 3 keer per dag, met een minimale tussentijd van 10 minuten). Duitse eindgebruikers die kiezen om in te stappen in een dergelijke regeling, genieten een voordeliger elektriciteitstarief (‘warmtepompstroomtarief’) via een afzonderlijke teller. Bedrijfstoestand 1 zou naast een dergelijke toepassing van vraagsturing door de energieleverancier ook voor andere mogelijke toepassingen van energiemanagement bij warmtepompen voor centrale verwarming gebruikt kunnen worden (bv. om in te spelen op dynamische tarieven).

Bedrijfstoestand 2 [schakeltoestand 0:0]

Bedrijfstoestand 2 is de normale bedrijfstoestand van de warmtepomp. Gezien deze overeenkomt met schakeltoestand 0:0 is het de toestand die standaard geselecteerd is wanneer de SG Ready digitale ingangen niet aangesloten worden op een extern stuurtoestel. In deze bedrijfstoestand kan een eventueel buffervat of de thermische inertie van het distributie- en afgiftesysteem en het gebouw zelf gebruikt worden om extra warmte op te slaan. Dit laat eventueel toe om een uitschakelperiode (tijdens bedrijfstoestand 1) te overbruggen zonder al te veel impact op het comfort.

Bedrijfstoestand 3 [schakeltoestand 0:1]

In deze bedrijfstoestand werkt de warmtepomp in een vrijblijvende ‘boost’ toestand. Dit betekent dat de warmtepompsturing zal proberen om extra warmte te laten produceren voor ruimteverwarming en/of productie van sanitair warm water.

Bedrijfstoestand 4 [schakeltoestand 1:1]

In deze bedrijfstoestand wordt de warmtepomp verplicht (voor zover mogelijk binnen de toestelregeling) om in ‘boost’ te gaan. In de instellingen van de warmtepomp kan een variant gekozen worden om aan te geven wat deze ‘boost’ precies betekent:

  • Variant 1: een verplichte opstart van de compressor
  • Variant 2: een verplichte opstart van de compressor en het inschakelen van de bijverwarmweerstand

Bij warmtepompboilers, moet een toestel om het SG Ready label te kunnen behalen, voorzien zijn van een regeling die toelaat om de insteltemperatuur van het sanitair warm water te verhogen om zo thermische energie te kunnen opslaan. Dit komt overeen met bedrijfstoestand 3.

Alles bij elkaar is  SG Ready een relatief eenvoudig en rudimentair protocol.

EEBUS

EEBUS is een verzameling van protocollen die specifiek bedoeld zijn om communicatie tussen toestellen binnen energiemanagementtoepassingen te faciliteren. Het idee is dat alle relevante toestellen dezelfde ‘taal’ spreken. Hierbij wordt zowel gekeken naar de kant van het elektriciteitsnet als naar de toestellen binnen een gebouw. Binnen het gebouw omvat de scope o.a. lokale controllers binnen een EMS en verwarmingstoestellen, maar ook andere toestellen zoals PV-omvormers, laadpunten voor elektrische voertuigen en witgoedtoestellen.
Figuur 3: EEBUS logo. Bron: EEBus Initiative e.V.

EEBUS-protocollen worden ontwikkeld binnen de non-profit organisatie ‘EEBus Initiative’ en bouwen verder op bestaande ICT-protocollen zoals IP. Lidmaatschap bij het EEBus Initiative is betalend (anno 2022: 5000 euro of 10000 euro,  afhankelijk van de grootte van het bedrijf). Leden kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van de EEBUS-protocollen en ‘Use Cases’ (zie verder) en de beschrijving ervan in specificaties. Daarnaast kunnen leden hun producten ook testen in een vroeg stadium van de ontwikkeling.

EEBUS kan o.a. gebruikt worden binnen een bestaand ICT-netwerk zoals een thuisnetwerk (bv. draadloos Wi-Fi netwerk), waar dan bovenop de daarin reeds aanwezige ICT-protocollen (zoals bv. IP), het binnen het EEBus Initiative ontwikkelde SHIP (‘Smart Home Internet Protocol’) gebruikt wordt. Op een hoger niveau in de zogenaamde ‘protocol stack’ (hiërarchische verzameling van gebruikte protocollen voor een communicatietoepassing) werd het SPINE-protocol (‘Smart Premise Interoperable Neutral message Exchange’) gedefinieerd.

EEBUS omvat ook enkele ‘Use Cases’, dit zijn specifieke toepassingen voor energiemanagement die gerealiseerd kunnen worden gebruik makende van de EEBUS-protocollen. Een voorbeeld van een dergelijke ‘Use Case’ binnen de categorie ‘HVAC’ en ‘Flexibility’ is bijvoorbeeld ‘Optimization of Self Consumption’.

Op de website van het EEBus Initiative is meer informatie terug te vinden over de EEBUS-protocollen en ‘Use Cases’ (zie ‘Meer informatie’ onderaan deze pagina). Reeds voltooide specificaties zijn gratis te downloaden na registratie op de website. Ondanks het feit dat specificaties gratis ter beschikking gesteld worden, lijkt het implementeren van de EEBUS-protocollen in producten toch nog een drempel te vormen en zijn producten die EEBUS ondersteunen anno 2022 nog niet zo wijd in de markt verspreid. Mogelijke redenen hiervoor zijn de relatieve complexiteit van de protocollen (bv. in vergelijking met SG Ready) en de vaststelling dat op het moment van schrijven gratis (voor niet-leden) toegankelijke gedocumenteerde (open source) voorbeeldimplementaties van EEBUS nog ontbreken.

Fabrikantspecifieke protocollen

Naast eerder open protocollen die typisch compatibiliteit en interoperabiliteit tussen producten en systemen van verschillende fabrikanten nastreven en die bovendien vaak gestandaardiseerd worden, bestaan er ook eerder gesloten protocollen die ontwikkeld worden door één of enkele fabrikanten en typisch niet gestandaardiseerd worden. Een voorbeeld van een fabrikantspecifiek protocol is SEMP (‘Simple Energy Management Protocol’), dat ontwikkeld werd door het Duitse SMA Solar Technology en onder andere ondersteund wordt door de fabrikanten Stiebel Eltron, Tecalor en MyPV.

Aandachtspunten

Omdat SG Ready met een eenvoudige interface bestaande uit twee digitale ingangen werkt, is het protocol compatibel met tal van systemen. Immers, twee automatisch stuurbare schakelcontacten (bv. relais) volstaan om een warmtepomp met een SG Ready interface aan te kunnen sturen. De keerzijde van de medaille is dat de verstuurde informatie beperkt is tot vier bedrijfstoestanden en dat geen bijkomende informatie zoals het gewenste opgenomen elektrisch vermogen meegegeven kan worden aan de warmtegenerator. Ook wordt de informatie slechts in één richting gestuurd, waardoor de warmtegenerator andere systemen bijvoorbeeld niet kan informeren over het beschikbare flexibiliteitspotentieel.

Protocollen zoals EEBUS laten wel toe om meer informatie door te sturen en ondersteunen communicatie in twee richtingen. Het nadeel van deze protocollen is dan weer dat ze relatief complex zijn en maar door een beperkt aantal fabrikanten ondersteund worden, waardoor interoperabiliteit (zie ‘Meer informatie’) een uitdaging kan vormen.

Vermits een warmtepomp gedimensioneerd wordt om continu de hele dag te werken op de meest kritische (= de koudste) dag, moet er bij de dimensionering rekening gehouden worden met de mogelijke uitschakelperiode (bv. in SG Ready bedrijfstoestand 1). Dit gebeurt via een dimensioneringsfactor. In het Duitse systeem met de ‘EVU-Sperre’ kan deze factor maximaal 1.33 bedragen (bij 6u uitschakeltijd: 24u/18u). De factor moet specifiek bepaald worden in functie van de uitschakelafspraken met de aanbieder van de vraagsturingsdienst (flexibiliteitsaanbieder). Dit kan (zoals in het Duitse voorbeeld) een energieleverancier zijn of eventueel ook een derde partij.

Meer informatie