Heim- und Gebäudeautomation im Smart Grid: Potentiale, Barrieren und aktuelle Trends

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1 Heim- und Gebäudeautomation im Smart Grid: Potentiale, Barrieren und aktuelle Trends DI Markus Jung Institute of Computer Aided Automation Automation Systems Group (ASG) Vienna University of Technology Vienna, Austria

2 Arbeitsbereich für Automatisierungssysteme Fakultät für Informatik der TU Wien Arbeitsbereich geleitet von Ao. Univ. Prof. Dr. techn. Wolfgang Kastner Forschung- und Lehre im Bereich von Automation Industrielle Automation Heim- und Gebäudeautomation Wireless Sensor Networks Forschungsbereiche IT Integration und Interoperabilität Security Wissensbasierte Systeme für Automation Smart Grids, Smart Cities, Internet of Things Standardisierung

3 Agenda Heim- und Gebäudeautomation im Smart Grid Lastmanagement für kommerzielle und private Verbraucher Energiemanagementsysteme Barrieren & Trends Forschungsprojekte der Automation Systems Group

4 Heim- und Gebäudeautomation im Smart Grid Smart Grid Überblick - Verbraucherdomäne[1]

5 Gebäudeautomation Beleuchtung und Verschattung Heiz- und Klimatechnik Sicherheitstechnik Kontrollsysteme Gebäudemanagementsysteme

6 Gebäudeautomation Managementebene Office-Netzwerk Aufzeichnen Archivieren Brandmeldezentrale Server GLT Zeiterfassung, Zutrittskontrolle Zentrales Überwachen Weiterleiten von Meldungen Automationsebene DDC Zone 1 DDC Zone 2 DDC Kälteerzeugung Steuern Regeln Daten erfassen Werte anpassen Feldebene Schalten, Stellen Gebäudeautomation 3 Schichtenmodell

7 Motivation für Gebäudeautomation Gebäude sind für 23% des weltweiten Elektrizitätsverbrauchs verantwortlich [2] Steigende Strompreise Verivox-Verbraucherpreisindex Strom (Deutschland)

8 Motivation für Gebäudeautomation Energieeffizienz Sparen von Kosten Erreichung von nationalen oder regionalen Klimazielen EU Klimaziele Reduktion der Treibhausgas Emissionen um 20% Erhöhung des Anteil von erneuerbarer Energien auf 20% des Energieverbrauchs Energieeffizienz ist um 20% zu erhöhen

9 Variabilität von erneuerbaren Energien Auswirkung von 35% erneubaren Energie auf die Energiebilanz [4]

10 Motivation für Gebäudeautomation im Smart Grid Weg von einer verbrauchsorientierten Produktion hin zu einem produktionsorientierten Verbrauch Speicherung und Transport von Energie über längere Zeit bzw. längere Strecken problematisch. Weg von einer zentralen Erzeugung hin zu einer dezentralen Erzeugung von Elektrizität Dezentrale Erzeugung und Verbrauchsspitzen führen zu Problemen der Netzstabilität. Stromverbrauch von Gebäuden muss zeitlich flexibel und steuerbar sein.

11 Lastmanagement bzw. Lastabwurf Änderung des Elektrizitäts-Verbrauchsmuster von Endnutzern im Kontrast zum normalen Konsumverhalten als Reaktion auf zeitliche variable Elektrizitätspreise, Tarifvergünstigungen um den Verbrauch von Elektrizität während Zeiten hoher Strompreise und großer Nachfrage zu verringern bzw. um Gefährdung der Netzstabilität zu vermeiden. [FERC]

12 Gebäudemanagementsysteme Gebäudemanagementsysteme bzw. Energiemanagementsysteme für lokale Optimierungen schon seit Jahren im Einsatz. Ermöglichen eine Steuerung von Verbrauch im Kontext von Smart Grids: Lastmanagement (Demand Response) bzw. Lastabwurf (Load Curtailment). Lastmanagement für industrielle Kunden bzw. große kommerzielle Kunden bereits etabliert. Lastmanagement für kleine und mittlere kommerzielle Kunden bzw. private Haushalte hat große Potentiale. Smart Metering Infrastruktur Voraussetzung für Lastmanagement und zeitvariable Tarife.

13 Lastmanagement für kommerzielle Gebäude Anzahl kommerzieller Gebäude in Demand Response Programmen ( Pike Research) [3]

14 Lastmanagement für kommerzielle Gebäude Begünstigende Faktoren [3]: Automatisiertes Lastmanagement (Automated Demand Response) Offene Standards (z.b. Open ADR, OASIS Energy Interoperation) Tarifvergünstigungen für Lastabwurf Kosteneinsparung Gute Außenwirkung (Umweltbewusstsein, ) Verzögernde Faktoren [3]: Hohe Nachrüstungskosten für bestehende Gebäude Kostenvorteile müssen auch praktisch belegbar sein Regulierung erschwert mögliche Marktmodelle Keine verschiebbare Lasten für bestimmte Branchen

15 Lastmanagement für private Verbraucher Anzahl privater Gebäude in Demand Response Programmen Nord Amerika ( Pike Research) [5]

16 Lastmanagement für private Verbraucher Begünstigende Faktoren [5]: Kosteneinsparung Energieengpässe bei Lastspitzen Regulatorische Vorgaben Neue Technologien wie Heimenergiemanagementsysteme (HEM)- und Netzwerke (HAN) Elektromobilität Smart Meter Verzögernde Faktoren [5]: Kundenwiderstand gegen Smart Meter Kosten und limitierter finanzieller Nutzen Fehlendes Kundeninteresse Fehlende Technologie beim Energieversorger

17 Heimenergiemanagement (HEM) Ausprägungen [6] Rechnung auf Papier: Aufzeigen des Energieverbrauchs bzw. Gegenüberstellung mit Vergleichshaushalten und Energiespartipps Web Portal: Aufzeigen des Verbrauchs, Gegenüberstellung mit Vergleichshaushalten, Energiespartipps (vgl. Green Pocket) Standalone-HEM-System: Gerät schätzt Energieverbrauch ab und kann auf Automationsgeräte zugreifen In-Home Display: Gerät mit Visualisierung von zeitvariablen Tarifen, Energieverbrauch und tagesaktuelle Rechnungsdaten Networked-HEM-System: Kombiniertes Heimautomationsnetzwerk mit Lastmanagement und Steuerung von Heimautomation.

18 Heimenergiemanagement

19 Heimenergiemanagementsysteme Quelle: Open Gateway Energy Management Alliance (OGEMA)

20 Heimenergiemanagementsysteme Anzahl von Heimenergiemanagementsystemen ( Pike Research) [6]

21 Heimenergiemanagementsysteme Marktprognose HEM Segment - Weltweit ( Pike Research) [6]

22 Heimenergiemanagementsysteme Begünstigende Faktoren [6]: Kosteneinsparungen Regulatorische Vorgaben Zeitvariable Tarife bzw. Tarifvergünstigungen Umweltbewusstsein Verzögernde Faktoren [6]: Einsparungen im Worst-Case von nur 3% bis 5% vs. hohe Kosten für Installation (> 200 ) Vielzahl von Standards bzw. ihr Fehlen Zu viele Technologien und Anbieter Zögernde Energieversorger

23 Barrieren - Interoperabilität Vielzahl an Technologien und Standards im Umfeld von Heim- und Gebäudeautomation Kabelgebunden bzw. Wireless Komplette Systemstacks und Medien optimiert für unterschiedliche Domänen

24 Aktueller Trend Vision: Internet of Things / Web of Things und Managed Services in der Cloud [2] IP(v6) in der Feld-Ebene Web Services für Embedded Devices Constrained Restful Environments Constrained Application Protocol Efficient XML Interchange Alternativ standardisierte Integration basierend auf einer Service-orientierten Architektur Open Building Information Exchange OPC Unified Architecture

25 Aktueller Trend Beispiel: ZigBee IP Standardisierung erfolgte Februar 2013 Wireless Kommunikationsstandard IEEE Wireless Meshed Networking IPv6 für low-power und low-cost Geräte basierend auf 6LoWPAN Standard Internet Protokolle für Sensoren und Aktuatoren (TCP, UDP) Security: AES 128 CCM, bzw. ECC 256 ZigBee Smart Energy Profile Version 2

26 Barrieren Security Gefahren Automatisierung birgt die Gefahr von missbräuchlicher Verwendung. Fernabschaltung von Stromanschlüssen Zugriff auf Heim- und Gebäudeautomation Abhilfe Starke Authentifizierung- und Verschlüsselungsverfahren müssen eingesetzt werden Offene Technologien statt Security by Obscurity Regelmäßige Security Audits

27 Barrieren Privacy Gefahren [8] Detaillierte Verhaltensmuster von Bewohnern möglich (Bewegungssensoren, Chipkartenleser, CO2 Sensoren, ) Überwachung von Bewohnern Missbräuchliche Verwendung von Daten Abhilfe Starke Zugriffskontrollmechanismen Nur Daten sammeln die wirklich nötig sind Dateneigentümer Kontrolle und Einsicht geben welche Daten von wem zu welchem Zweck verwendet werden

28 Barrieren Security und Privacy - Beispiele Hunderte Industrieanlagen in Deutschland sind kaum vor Hackerangriffen geschützt. heise Security entdeckte unter anderem Fernwärmekraftwerke, wichtige Rechenzentren, eine Justizvollzugsanstalt und ein Stadion, dessen Industriesteuerungen sorglos mit dem Internet verbunden waren. Quelle: Identifikation von Videoinhalten über granulare Stromverbrauchsdaten [7]

29 Forschungsprojekte der ASG IoT6 ( Ziel: Highly scalable IPv6-based Service-Oriented Architecture to achieve interoperability, mobility, cloud computing integration and intelligence distribution among heterogeneous smart things components, applications and services Kommunikationsstack: IP(v6) Technologie bis in die Feldebene von Sensor/Aktor-Systeme (IEEE , 6LoWPAN) Web services für Embedded Devices (Constrained Application Protocol) Gateway Konzept für existierende Technologien Cloud-basierte Managed Services

30 Forschungsprojekte der ASG Smart Web Grid Interoperabilität im Smart Grid Web-basierter Informationsaustausch SG² - Smart Grid Security Guidance

31 ASG - Standardisierung und Open Source Standardisierung OASIS Open Building Information Exchange TC Member and Editor BACnet Interest Group Europe Member Open Source by ASG KNX Stacks: Calimero (Java) EIBD (C) Integrationsmiddleware für Gebäudeautomation: IoTSyS (Java, OSGI + obix, IPv6 & CoAP)

32 Conclusion Heim- und Gebäudeautomation ist ein wesentlicher Bestandteil eines erfolgreichen Smart Grids Lastmanagement- und Energiemanagementsysteme können dem Endverbraucher monetären Nutzen bringen und die Netzstabilität verbessern Heimenergiemanagementsysteme (wieder) als möglicher Trend für die nächsten Jahre Zusatzdienste für Smart Homes, etc. als Managed Service in der Cloud Trend zur IP(v6) Kommunikation für (Wireless) Automationstechnologien Security und Privacy Problematik darf nicht unterschätzt werden.

33 Conclusion Heim- und Gebäudeautomation ist ein wesentlicher Bestandteil eines erfolgreichen Smart Grids Lastmanagement- und Energiemanagementsysteme? können dem Endverbraucher monetären Nutzen bringen und die Netzstabilität verbessern Heimenergiemanagementsysteme (wieder) als möglicher Trend für die nächsten Jahre Zusatzdienste für Smart Homes, etc. als Managed Service in der Cloud Q & A Trend zur IP(v6) Kommunikation für (Wireless) Automationstechnologien Security und Privacy Problematik darf nicht unterschätzt werden.

34 References [1] National Institute of Standards and Technology, U.S. Department of Commerce, NIST Framework and Roadmap for Smart Grid Interoperability Standards, Release 2.0, February 2012 [2] David Emmerich, Eric Bloom, Commercial Building Automation Systems - Security and Access, HVAC Controls, Fire and Life Safety, Building Management Systems, and Lighting Controls: Global Market Analysis and Forecasts, Pike Research, Research Report, Q [3] Marianne Hedin, Eric Woods, Demand Response for Commercial Buildings Load Curtailment, Dynamic Pricing, and Ancillary Services for Commercial Buildings: Global Market Analysis and Forecasts, Pike Research, Research Report, Q [4] GE Energy, Western Wind and Solar Integration Study, May 2010 [5] Marianne Hedin, Carol Stimmel, Demand Response for Residential Markets: - Direct Load Control, Time-of-Use, Critical Peak Pricing, and Peak-Time Rebate Programs for Residential Customers: Global Market Analysis and Forcasts, Pike Research, Research Report, Q [6] Neil Strother, Bob Gohn, Home Energy Management In-Home Displays, Networked HEM Systems, Standalone HEM Systems, Web Portals, and Paper Bill HEM Reports: Market Analysis and Forecasts, Pike Research, Research Report, Q [7] Ulrich Greveler, Benjamin Justus, Dennis Löhr, Multimedia Content Identification Through Smart Meter Power Usage Profiles, In 5 th International Conference on Computers, Privacy and Data Protection, Brussels, Springer 2012 [8] Meyer, Sven, and Andry Rakotonirainy. "A survey of research on context-aware homes." In Proceedings of the Australasian information security workshop conference on ACSW frontiers 2003-Volume 21, pp Australian Computer Society, Inc., 2003.