INTELLIGENTE ENERGIE IN DER LANDWIRTSCHAFT
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- Louisa Zimmermann
- vor 6 Jahren
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1 INTELLIGENTE ENERGIE IN DER LANDWIRTSCHAFT Brakel Dipl. Ing. Thomas Mockenhaupt M.Eng. Andreas Baum B.Eng. Patrick Beuel Förderkennzeichen: /13
2 Agenda Allgemeines TH Köln Projekte Intelligente Energie - Projektpartner Datenbank und Datenaufbereitung Entwicklung eines Analyse-Tools Ziele der Datenerhebung und Analyse Möglichkeiten der Datenanalyse Exemplarische Auswertungen Zusammenfassung und Ausblick 2
3 Köln Ihre Studienstadt 3
4 4
5 Wissenswertes auf einen Blick Zahlen und Fakten Gegründet 1971 als Fachhochschule Köln, seit 1. September 2015 Technische Hochschule Köln - kurz: TH Köln Studierende ausländische Studierende jährlich Studienanfängerinnen und anfänger jährlich über Absolventinnen und Absolventen 5
6 Wissenswertes auf einen Blick Zahlen und Fakten ca. 120 Promovendinnen und Promovenden 11 Fakultäten untergliedert in insgesamt 48 Institute Über 90 Studiengänge (51 Bachelor- und 45 Masterstudiengänge) Insgesamt über Beschäftigte Etat 140 Mio. Euro über 17 Mio. Euro Forschungs- und Drittmittel 4 Standorte 6
7 7
8 8
9 9
10 Australien Mining 10
11 Verbundprojekt C4-Kompakt Probleme und Chancen des Einsatzes von Miscanthus Mischpellets in Kleinfeuerungsanlagen (KFA) Th. Mockenhaupt (TH Köln) und V. Wenghoefer (Uni Bonn) 11
12 Verbundprojekt C4-Kompakt Prüfstand TwinHeat M20i Leitung: Brennstoffe: 29 kw Holzpellets Hackschnitzel Scheitholz Spelzen, Gehäckseltes Stroh o.ä. 12
13 Metabolon 13
14 Intelligente Energie - Projektpartner Verein zur Förderung nachwachsender Rohstoffe und Entwicklung technischer Lösungen Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfalen Betriebshilfsdienst & Maschinenring Höxter-Warburg e.v. Technische Hochschule Köln Cologne University of Applied Science 14
15 Datenbank und Datenaufbereitung Warum ist eine Datenbank für das Projekt notwendig? Datenbank wurde im Zuge einer Masterarbeit erstellt Übertragung der SMART-Meter-Daten über GSM-Netz an den Stromnetzbetreiber (RWE und BeSte-Werke) Stromnetzbetreiber stellen Verbrauchsdaten in Form von CSV- Dateien zur Verfügung CSV-Dateien müssen vor dem Einpflegen in die Datenbank auf die dort vorliegende Datenstruktur angepasst werden 15
16 Datenstruktur Aufteilung der Datenbanktabellen Stalltyp Welche Verbraucher? Zähler Verbrauch Betriebe Zählerstand Leistung Betriebsdaten Anmerkungen Adresse Standort Merkmale Stallgröße Installierte Verbraucher Einheiten Abb. 1: tabellarische Aufteilung 16
17 CSV-Dateien als Datenquelle (1) Textdateien zur Abbildung tabellarisch strukturierter Daten verbreitetes Dateiformat, wird von den meisten Anwendungen unterstützt Daten werden in 15-Minuten-Intervallen aufgezeichnet Tab. 1: Verbrauch (Tabelle) Abb. 2: Verbrauch (CSV-Datei) 17
18 CSV-Dateien als Datenquelle (2) Strukturelle Unterschiede zwischen BeSte- und RWE-Daten Abb. 3: CSV-Datei der Stadtwerke Abb. 4: CSV-Datei des RWE 18
19 CSV-Präprozessor Vorbereitung der CSV-Dateien auf den Datenbankimport Ausgangs-CSV- Datei(en) Datenbank CSV Präprozessor Leistung berechnen Abb. 5: CSV Präprozessor Redundante DS löschen Fehlende DS ergänzen Neue CSV-Datei SQL-Datei Log-Datei Abb. 6: Arbeitsweise CSV Präprozessor 19
20 Entwicklung eines Analyse-Tools (1) Anforderungen: selektive Abfrage von Verbrauchsdaten, abhängig von Zeitraum, Betrieb und Zähler abgefragte Daten sollen automatisch in Excel-Arbeitsblatt überführt werden automatisierte Erzeugung geeigneter Diagramme zur Visualisierung der Verbrauchsdaten keine Kenntnisse über Datenbanksystem bzw. Abfragesprache vom Anwender voraussetzen Zusätzliche Funktionen wie Plausibilitätsprüfung, gemittelte Lastprofilerzeugung, Abweichungen von zu erwartenden Lastgängen, produktbezogene Kennzahlermittlung, Jahresnutzungsstunden, etc. 20
21 Entwicklung eines Analyse-Tools (2) Benutzeroberfläche Abb. 7: Betriebe Abb. 8: Zeitraum Abb. 9: Diagramme 21
22 Entwicklung eines Analyse-Tools (3) Daten in Excel Abb. 10: Abgefragte Daten (Stadtwerke) Abb. 11: Abgefragte Daten (RWE) 22
23 Entwicklung eines Analyse-Tools (4) Diagrammtypen Abb. 12: gesamter Zeitabschnitt Abb. 13: wöchentlicher Verbrauch Abb. 14: täglicher Verbrauch Abb. 15: kumulierter Verbrauch 23
24 Plausibilitätsprüfung BeSte-Betrieb Abb. 16: Plausibilitätsprüfung für einen BeSte-Betrieb 24
25 Plausibilitätsprüfung RWE-Betrieb Abb. 17: Plausibilitätsprüfung für einen RWE-Betrieb 25
26 Zukünftige Erweiterungen der Datenbank Folgende Werte werden noch in die DB aufgenommen: - Wetterdaten - Betriebsdaten - Wärmemengendaten 26
27 Ziele der Datenerhebung und Analyse Untersuchung des Lastverschiebepotentials in verschiedenen Betrieben Empfehlungen an Landwirte für energieeffiziente Komponenten Ermittlung von Unregelmäßigkeiten des Stromverbrauchs Gesamtziel: Beratung von Landwirtschaftsbetrieben durch den Maschinenring und durch die Landwirtschaftskammer NRW zur energetischen Optimierung 27
28 Möglichkeiten der Datenanalyse Ca Messdaten pro Zähler pro Jahr (51 Zähler in 13 Betrieben) Quantitative Möglichkeiten der Auswertung und Datenanalyse Feststellen der Verbräuche je Zähler, durch Addition ergibt sich der Gesamtverbrauch der Messpunkte Aufteilung der Stromverbräuche auf die Messpunkte: z.b. Ferkelaufzucht Lüftung, Fütterung, Beleuchtung etc. 28
29 Möglichkeiten der Datenanalyse Berücksichtigung der Betriebsdaten ermöglicht Rückschlüsse auf die Effizienz der verbauten Komponenten Bildung von spezifischen Energieverbrauchskennzahlen (z.b. produktbezogen kwh/tier*a) Weiterführende (qualitative Analysen) nur durch Einzelfallbetrachtung (jeder Betrieb ist einzigartig) Im weiteren Verlauf exemplarische quantitative Darstellung und Auswertung der Messdaten, mit qualitativer Vertiefung 29
30 Möglichkeiten der Datenanalyse RWE 1 RWE 2 RWE 3 RWE 4 Ferkelaufzuchtstall - Ferkelaufzuchtstall - Trockenfütterungsketten Fütterung Mastschweinestall - Lüftung Ferkelaufzucht - Fütterung Ferkelaufzuchtstall - Ferkelaufzuchtstall - Mastschweinestall - Zentrallüftungsanlage Lüftung Fütterung Ferkelaufzucht - Lüftung Mastschweinestall - Ferkelaufzuchtstall - Ferkelaufzuchtstall - Licht Abzweig / Einspeisung im Beleuchtungstechnik Nebenstall - Ferkelaufzuchtstall - Ferkelaufzuchtstall - sonstige Verbraucher Nebenverbraucher - - Sauenstall - Trockenfütterungsanlagen Sauenstall - Fütterung - Sauenstall - Fütterung Sauenstall - Lüftungsanlage Sauenstall - Lüftung - Sauenstall - Lüftung Sauenstall - Beleuchtungstechnik Sauenstall - Licht - - Sauenstall - Rotlicht im Deckzentrum RWE-Betriebe und deren Messpunkte Sauenstall - Nebenverbraucher
31 Exemplarische Auswertung - Übersicht 31
32 Exemplarische Auswertung - Übersicht 32
33 Exemplarische Auswertung - Übersicht 33
34 Exemplarische Auswertung - Übersicht RWE 2: Abweichung am Wochenende - Warum? 34
35 Exemplarische Auswertung - Übersicht Erklärung? 35
36 Exemplarische Auswertung - Übersicht SA Messpunkt Sonstiges 36
37 Exemplarische Auswertung - Übersicht Lüftung SA max. 7,3 kw Lüftung FE max. 5,8 kw Temperatur 14h 19h ca. 19 C 37
38 Exemplarische Auswertung RWE 2 - Sauenstall 38
39 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall 39
40 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall RWE 2 Sauenstall Anzahl Tierplätze 840 Lüftungssystem Leistung Lüftung Leistung Fütterung (flüssig) Futtermenge Zentralabsaugung, 6 frequenzgeregelte Regelventilatoren 11,1 kw (3 x 1,5 kw und 3 x 2,2 kw) 16,9 kw (2 Mischer x 2,2 kw; Mischerauslauf = 0,75kW; Futterpumpe = 4 kw; Komponentenförderg. = 1 x 1,5 kw, 1 x 1,1 kw, 1 x 0,75 kw; Komp-Quertrog 1 x 1,1 kw; Säurepumpe 1 x 0,2 kw 1700 t (TF) 40
41 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Mischerauslauf + Futterpumpe Mischer Komp.förderg. + Komp.quertrog Komp.förderg. Säurepumpe Säurepumpe 41
42 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Mischerauslauf + Futterpumpe Mischer Komp.förderg. + Komp.quertrog Komp.förderg. Säurepumpe Säurepumpe 42
43 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Mischerauslauf + Futterpumpe Mischer Komp.förderg. + Komp.quertrog Komp.förderg. Säurepumpe Säurepumpe 43
44 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Mischerauslauf + Futterpumpe Mischer Komp.förderg. + Komp.quertrog Komp.förderg. Säurepumpe Säurepumpe 44
45 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Unterschiedliche Lastspitzen im Tagesverlauf - Warum? 45
46 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Feststellung: Fütterung ist Jahreszeitunabhängig! 46
47 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Leistung Min. 1,27 kw Max. 1,63 kw Temperatur Min. 3,7 C 23h-24h Max. 10,4 C 12h-14h 47
48 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Leistung Min. 1,96 kw Max. 3,22 kw Temperatur Min. 6,7 C 00h-01h Max. 19,8 C 15h-16h 48
49 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Leistung Min. 2,93 kw Max. 4,76 kw Temperatur Min. 12,4 C 00h-01h Max. 23,6 C 12h-18h 49
50 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Max. Differenz 3,22 kw Min. Differenz 1,47 kw 50
51 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Max. Differenz 2,27 kw Min. Differenz 1,22 kw Kaum Unterschiede am Wochenende, Leistung ist temperaturabhängig! 51
52 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Messtage weichen aufgrund der Mittelung und der Tagestemp. ab Leistungsverlauf ähnlich 52
53 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall 53
54 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall 54
55 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Erklärungsansätze für Ausreißer: - Messstation 18,5 km entfernt - Temp.änderungen haben keine unmittelbare Auswirkung auf Stallklima - Zeitpunkte der Ausreißer periodisch willkürlich, ggf. Ende der Mastzeit 55
56 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Diese Darstellung ist nicht geeignet 56
57 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Ca Std. im Jahr Temp. unter 15 C Max. Leistung 5,7 kw unter 1 Std. im Jahr 4000 Std. im Jahr Leistung unter 2 kw 57
58 Exemplarische Auswertung RWE 2 Sauenstall Zusammenfassung für RWE 2 SA Lüftung Temperaturabhängig Keine Lastverschiebung möglich Kleinere Dimensionierung scheint möglich Fütterung (flüssig) Wochentagunabhängig Keine wesentlichen Lastverschiebungen möglich 58
59 Exemplarische Auswertung RWE 2 Zusammenfassung für RWE 2 SA & FE RWE KTBL [kwh/tier*a] [kwh/tp*a] [kwh/tier*a] Verbraucher/Stallart SA FE SA/SM FE SA FE Lüftung 24,0 3,1 59,0 39,0 44,0 28,0 2,4 Fütterung 11,9 1,8 2,0 15,0 48,0 4,8 2,2 Beleuchtung 9,3 0,9 35,0 1,8 20,0 4,0 1,0 Sonstiges (Reinigung, Entmistung) 7,5 0,5 4,0 4,2 8,0 3,2 0,4 Gesamt 52,7 6,3 100,0 60,0 120,0 40,0 6,0 Spez. Stromverbrauch Wh/kg Trockenfutter 5,9 4,6 3,0-59
60 Exemplarische Auswertung RWE 4 - Ferkelaufzucht 60
61 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht 61
62 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht RWE 4 Ferkelaufzucht Anzahl Tierplätze (prod. Tiere/a) (44.000) Lüftungssystem Leistung Lüftung Leistung Fütterung (trocken) Futtermenge Zentralabsaugung; Ganglüftung (1 Frequenzsteuerung) 10,2 kw (6 x 1,7 kw) wird noch erfasst Druckluftverteilung wird noch erfasst 62
63 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht 63
64 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht 64
65 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht Starke Schwankungen der Leistung im Tagesverlauf, außer 0h-2h - Warum? Erklärung: Hochdruckreiniger 65
66 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht Feststellung: Fütterung ist Jahreszeitunabhängig, deutliche Schwankungen im Tagesverlauf! 66
67 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht Max. Differenz 5,88 kw Min. Differenz 5,68 kw Temp.spreizung Sommer Winter 26,1 C 23,7 C -2,4 C 67
68 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht - Messtage weichen aufgrund der Mittelung und der Tagestemperatur ab - Leistungsverlauf der Messtage relativ konstant 68
69 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht Erklärungsansätze Jun.: - Defekte Messventilatoren Erklärungsansätze Sep.: von 720 Std. Temp. über 15 C (ΔT=19,9 C) - Zusitzender Tropfenabscheider des Wäschers 69
70 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht 70
71 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht Defekter Messventilator &Tropfenabscheider? Entfernung Messstation 5,3 km 71
72 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht Ca Std. im Jahr Temp. unter 15 C Max. Leistung 8,2 kw 2 Std. im Jahr und 22 Std. über 8 kw 4000 Std. im Jahr Leistung unter 2,7 kw Defekter Messventilator & Tropfenabscheider? 72
73 Exemplarische Auswertung RWE 4 Ferkelaufzucht Zusammenfassung für RWE 4 FE Lüftung Temperaturabhängig Keine Lastverschiebung möglich Leistungsschwankungen wahrscheinlich durch Defekte bedingt Fütterung (trocken) Wochentagunabhängig Lastverschiebung evtl. möglich, wenn Futtersilos vorhanden 73
74 Exemplarische Auswertung RWE 4 Zusammenfassung für RWE 4 SA & FE RWE KTBL [kwh/tp*a] [kwh/tier*a] [kwh/tp*a] [kwh/tier*a] Verbraucher/Stallart SA FE SA FE SA/SM FE SA FE Lüftung 104,8 6,8 28,1 0,7 59,0 39,0 44,0 28,0 2,4 Fütterung 33,6 4,3 9,0 0,4 2,0 15,0 48,0 4,8 2,2 Beleuchtung ,0 1,8 20,0 4,0 1,0 Sonstiges (Reinigung, Entmistung) ,0 4,2 8,0 3,2 0,4 Gesamt 138,4 11,0 37,1 1,1 100,0 60,0 120,0 40,0 6,0 Spez. Stromverbrauch Wh/kg Trockenfutter ,0-74
75 Möglichkeiten der Datenanalyse BeSte-Betriebe und deren Messpunkte BeSte 1 BeSte 2 BeSte 3 BeSte 4 Schweinemast-Fütterung Schweinemast-Fütterung Kuhstall-Chargenmischer Kuhstall-Kühlung Schweinemast-Fütterung 2 Schweinemast-Fütterung 2 Kuhstall-Lüftung Kuhstall-Melkroboter Schweinemast-Lüftung Schweinemast-Lüftung - - Schweinemast-Lüftung 2 Schweinemast-Lüftung BeSte 5 BeSte 6 BeSte 7 Schweinemast-Fütterung Kuhstall-Kühlung Kuhstall-Karussellantrieb Schweinemast-Mühle - Kuhstall-Melkstand - - Kuhstall-Milchkuehlung - - Kuhstall-Mistschieber - - Kuhstall-Vakuumpumpe 75
76 Exemplarische Auswertung BeSte 4 Kuhstall bzw. Milchvieh 76
77 Exemplarische Auswertung BeSte 4 Milchvieh 77
78 Exemplarische Auswertung BeSte 4 Milchvieh BeSte 4 Milchvieh Anzahl Tierplätze 75 Melkstand 1 Melkrobotor (24/d) Keine Angaben zur Leistung der Vakuumpumpe Vakuumpumpe (Laut Typenschild V= 62 m3/h, 500 hpa (Fa. Busch) Reinigung d. Melkanlage Kochendwasserreinigung (3,5 kw) Direktkühlung; Kühlung d. Milch Plattentauscher/Wasservorkühlung (3,5 kw Kompressor) 78
79 Exemplarische Auswertung BeSte 4 KU Reinigung Vorkühlung Kompressor Kälteaggregate + Rührwerk 79
80 Exemplarische Auswertung BeSte 4 KU Melkstandreinigung 3 x am Tag 80
81 Exemplarische Auswertung BeSte 4 KU Summierte Peakleistung Messpunkte 7,79 kw 81
82 Exemplarische Auswertung BeSte 4 Milchvieh Summierte Peakleistung Messpunkte 6,25 kw Max. Leistung Kühlung 2,53 kw 82
83 Exemplarische Auswertung BeSte 4 Milchvieh Summierte Peakleistung Messpunkte 7,54 kw 83
84 Exemplarische Auswertung BeSte 4 Milchvieh Reinigung Vorkühlung + Melkstand Reinigung Melkstand Reinigung Melkstand Kompressor Kälteaggregate + Rührwerk 84
85 Exemplarische Auswertung BeSte 4 Milchvieh Feststellungen: Abweichender Lastverlauf für Reinigung Vorkühlung Reinigung Reinigung Melkstand Vorkühlung und Stromaufnahme Kompressor + 3 Melkstand typische Peaks Reinigung d. Reinigung Melkanlage Melkstand Max. Anschlusswert beider Messpunkte bei 3,5 kw Kompressor Kälteaggregate + Rührwerk 85
86 Exemplarische Auswertung BeSte 4 Milchvieh Abdeckung aus Überschuss möglich Peakleistung könnte abgedeckt werden Abdeckung aus Überschuss möglich 86
87 Exemplarische Auswertung BeSte 4 Milchvieh Zusammenfassung für BeSte 4 Gewählter Betrachtungszeitraum Sommer aufgrund Messdatensituation (Fehlwerte in anderen Perioden) Spätere Analysen mit ausreichend Messdaten haben mehr Aussagekraft Temperaturdaten 2015 fehlen und müssen noch in Auswertung miteinbezogen werden 87
88 Exemplarische Auswertung BeSte 4 Milchvieh Zusammenfassung für BeSte 4 erste Rückschlüsse Kühlung Temperaturabhängig, schwankender Lastverlauf Lastverschiebung bzw. Lastspitzenglättung z.b. durch Eiswasserkühlung möglich Melkroboter Wochentagunabhängig, 3x tägliche Reinigung Lastverschiebung eher unwahrscheinlich 88
89 Exemplarische Auswertung - Kennzahlenvergleich RWE RWE BeSte BeSte KTBL [kwh/tier*a] [kwh/tp*a] [kwh/tier*a] [kwh/tp*a] [kwh/tier*a] Verbraucher/Stallart SA FE SA FE SA FE SM FE SA/SM FE SA FE Lüftung 24,0 3,1 104,8 6,8 28,1 0,7 2,3 59,0 39,0 44,0 28,0 2,4 Fütterung 11,9 1,8 33,6 4,3 9,0 0,4 3,5 0,6 2,0 15,0 48,0 4,8 2,2 Beleuchtung 9,3 0, ,0 1,8 20,0 4,0 1,0 Sonstiges (Reinigung, Entmistung) 7,5 0, ,0 4,2 8,0 3,2 0,4 Gesamt 52,7 6,3 138,4 11,0 37,1 1,1 24,0 3,0 100,0 60,0 120,0 40,0 6,0 Spez. Stromverbrauch Wh/kg Trockenfutter 5,9 4, ,0-89
90 Zusammenfassung Exemplarische Auswertung in Kombination mit der Datenbank inkl. Analyse-Tool verdeutlicht die Potentiale des IE-Projekts Kontinuierliche Verbrauchsdatenübertragung für das Jahr 2015 gewährleistet, daher weitere Betriebe für Auswertung geeignet Erhebung der Betriebsdaten Je mehr Daten zur Verfügung stehen, desto qualitativer werden die Analysen Daten zur Strom- und Wärmeproduktion fehlen Sowohl Außen- als auch relevante Innentemperaturen sollten in den jeweiligen Stallarten gemessen werden Dadurch können Kennzahlenvergleiche zwischen den gleichen Stallarten durchgeführt werden 90
91 Ausblick Daten zur eigenen Strom- und Wärmeproduktion ermöglichen die Erstellung von E-Energiekonzepten mit hohem Eigenverbrauchsanteil Wenn alle Parameter identifiziert werden können, die den Lastverlauf bedingen, können Lastverläufe evtl. prognostiziert werden Anpassungsmöglichkeiten des Verbrauchs durch intelligente Steuergeräte Lastverschiebung in preisgünstigere Zeiten oder Eigenversorgungsgrad erhöhen Einsparpotentiale Potentiale zur Effizienzsteigerung CO2-Einsparung Das gelingt nur mit Ihrer Hilfe und in enger Zusammenarbeit aller Projektbeteiligten! 91
92 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen? 92
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