Energie: Nutze den grünen Strom

Hintergrund Strommarkt

Noch vor wenigen Jahren lag das Hauptaugenmerk der Gesellschaft darauf, nur möglichst günstigen Strom zu nutzen. Schritt für Schritt vollzog sich aber ein Wandel hin zum grünen Denken, sodass viele Menschen den Schutz und die Ressourcenschonung der Erde dem eigenen finanziellen Vorteilen und der eigenen Komfortzone vorziehen. Zentrale Bedingung: wirklich das Klima schützen, d.h. Verbraucher dann aktivieren, wenn auch grüner Strom am Markt verfügbar ist und nicht nur finanzielle Kompensationszahlungen leisten. Doch wie kann man in Erfahrung bringen, wann am heutigen Tag die Energie mit dem geringsten CO2-Ausstoß oder dem höchsten Anteil an erneuerbaren Energien produziert wird?

Das hier beschriebene Projekt befähigt die Nutzer, diese Informationen in quasi-Echtzeit zu ermitteln und in eigenen innovativen Projekten zu verwenden. Die Informationen werden dabei minütlich aktualisiert und ermöglichen somit eine technische Grundlage, den eigenen ökologischer Fußabdruck zu verringern. Auf deren Basis kann der Octopus z.B. elektrische Verbraucher schalten (Relais) oder Sollwerte für Regler (Temperatur Kühlschrank) verändern - Digitale Tüftler für den Klimaschutz!

Die Basis für diese Vorhersagen wird von der zur Bundesnetzagentur gehörenden Website SMARD.de bundesweit zur Verfügung gestellt. Diese öffentlichen SMARD-Daten werden kontinuierlich abgerufen (Filetransfer), ausgewertet und die kondensierten Informationen anschließend auf der Plattform ThingSpeak für jeden frei zugänglich zur Verfügung gestellt. ThingSpeak ist eine Open-Source-Internet-of-Things-Anwendung, auf der Daten visuell dargestellt und für die Weiternutzung per IoT-API aufbereitet werden können.  Für weitere Informationen verweisen wir auf unser Paper zur Environmental Informatic, 2020.

Unser lokaler Thingspeak-Server am Campus stellt ab sofort zwei Kanäle zur Verfügung, um die ausgewerteten Energiedaten darzustellen. Ein Kanal zeigt den prozentualen Anteil erneuerbarer Energien für den jetzigen Energiemix sowie für die SMARD-Vorhersage der nächsten 7 Stunden an. Der andere Kanal liefert den ausgestoßenen CO2-Wert in Gramm pro erzeugter kWh für den gleichen Zeitraum (Grundlagen s. Paper). Die Abbildungen 1 und 2 zeigen die Darstellungsform der Kanäle auf ThingSpeak. Dabei sind die Kanäle in 8 Felder unterteilt, bei dem jedes Feld für je eine Stunde steht. Beginnend bei Feld 1 für die aktuelle Stunde bis hin zu Feld 8 für die jetzige Uhrzeit plus 7 Stunden. Die X-Achse zeigt dabei die Uhrzeit der Auswertung in minütlicher Schrittweite. Die Y-Achse der Abbildungen stellt den prozentualen Anteil der erneuerbaren Energien bzw. die CO2-Emissionen in gCO2/kWh dar.

Abb. 1. Die Bildschirmaufnahme von der ThingSpeak-Website zeigt den öffentlichen Kanal “SMARD: Anteil erneuerbare Energien". Dieser Ausschnitt zeigt den aktuellen Prozentsatz erneuerbarer Energien und eine Prognose für in 2 Stunden.
Abb. 2. Der öffentliche Kanal “SMARD: gCO2/kWh“. Hier werden der aktuelle CO2-Ausstoß und die Prognose für in 2 Stunden abgebildet.

Selber Machen

Basierend auf diesen Flussdiagrammen ist es auf einfache Weise möglich, das eigene Verhalten bezüglich der Verwendung elektrischer Geräte anzupassen. Beispielsweise könnte die Waschmaschine ein oder zwei Stunden später eingeschaltet werden oder das Smartphone bzw. das E-Auto geladen werden, wenn ein größerer Anteil an erneuerbaren Energien zur Verfügung steht.

Wie kann auf diese Daten zugegriffen werden?

Abb. 3: Der Baustein SMARD Energy Germany, welcher zur Anwendung dieses Tools entwickelt wurde.

Mittels des neu erstellten Ardublock-Bausteins “SMARD Stromdaten” können die Daten direkt für das eigene Projekt verwendet werden. Es kann dabei zwischen dem Anteil der regenerativen Energien und dem CO2-Ausstoß pro kWh gewählt werden (Abb. 3).

Nun geht es daran diese Daten in einer Beispielanwendung mit einem Microcontroller umzusetzen. Ziel ist, den Zeitpunkt auszugeben, bei dem der Anteil der erneuerbaren Energien der nächsten 8 Stunden maximal ist. Die Darstellung soll mithilfe einer LED-Matrix erfolgen.

Im erster Schritt ist die Initialisierung im Bereich Setup durchzuführen. Da die benötigten Daten aus dem Internet bezogen werden, ist der Zugang per WLAN-Modul obligatorisch. Um dieses nutzen zu können, wird der vordefinierte Block "WLAN" aus der Kategorie "IoT: Internet - Zugang" benötigt (s. Mitmach-Projekt). Nach Hinzufügen des ausgewählten Netznames sowie Passworts kann der Microcontroller auf das Internet zugreifen  (Abb. 4).

Abb. 4: Der Setupbereich des Programmes mit dem WLAN-Modul.

Anschließend wird die sich kontinuierlich wiederholende Schleife (Loop) betrachtet. Hier werden die immer wieder durchzuführenden Funktionen benötigt, um das gewünschte Ziel zu erreichen. Der Programmablauf in diesem Projekt ist 1. Daten beziehen, 2. Daten auswerten und 3. Ergebnisse darstellen. Im ersten Schritt müssen somit die Daten vom gewünschten ThingSpeak-Kanal geladen werden. Dies erfolgt mit dem bereits in der Abbildung 3 gezeigten Baustein. In diesem Beispiel wählen wir bei der Einstellungsmöglichkeit die Option Anteil Erneuerbare %. Dieser Kanal muss für jede Stunde einzeln ausgelesen werden.

Abb. 5: In dem LoopBereich des Programms wird der Zeitpunkt MAX mit dem höchsten prozentualen Anteil erneuerbare Energie im Strommix bestimmt und auf der Matrix zusammen mit dem CO2-Ausstoß ausgegeben.

Um den Zeitpunkt zu bestimmen, wann der Strom am grünsten ist, müssen wir den maximalen Wert der 8 Felder bestimmen. Dafür werden zunächst zwei neue Variablen für das Zwischenspeichern der Werte erzeugt. Mittels einer Zählschleife wird das Auslesen aller Felder des ThingSpeak-Kanals realisiert. Gleichzeitig wird darin mittels Vergleich der ausgelesenen Werte das Maximum bestimmt und die dazugehörige Zeit gespeichert.

Für eine ansprechende Visualisierung der Ergebnisse wird eine LED-Matrix verwendet. Dort soll abwechselnd der ermittelte maximale Anteil der erneuerbaren Energien der nächsten 8 Stunden und die dazugehörige Zeit angezeigt werden. Es wird eine Charlie-Wing LED-Matrix verwendet. Diese lässt sich einfach an die Oberseite des Octopus aufstecken und kann entweder zur Anzeige einer Trendgrafik oder zur Anzeige eines bestimmten Textes verwendet werden. Zur Programmierung der Matrix kann der dafür vorgesehene Baustein "LED-Matrix" gewählt werden. Der auszugebene Text muss dort lediglich per Variable an den Matrix-Baustein geklickt werden.

Abb. 6: Ein didaktischer Prototyp mit der implementierten Anwendung.

Diese Anwendung ermöglicht eine nachhaltigere Gestaltung des Alltags. Des Weiteren kann durch das Anzeigen der Werte die Abhängigkeit der Stromzusammensetzung von Wetter (Sonne, Wind) und Uhrzeit (Lastprofil), besser verstanden werden. Dieses Werkzeug ist beispielsweise in Schulen gut anwendbar, um den SuS das Thema Nachhaltigkeit auf eine spielerische Art und Weise beizubringen.

Zusätzlich zur LED-Matrix wurde noch ein Rahmen angefertigt. Das rechte Neopixel leutet je nach prozentualem Anteil der erneuerbaren Energie am Strommix in einer anderen Farbe. Die Darstellung reicht von grünem Licht (mindestens 50 Prozentpunkte) bis rotem Licht (maximal 30 Prozentpunkte). Dies begünstigt die schnelle visuelle Erfassung des aktuellen Strommixes und ermöglicht dem Nutzer die kurzfristige Anpassung seines Stromverbrauchs.

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