Home-Energy-Management-System (HEMS)

Ein Home Energy Management System (HEMS) ist ein digitales System, das die Energieerzeugung, -speicherung und -nutzung in einem Haushalt überwacht und steuert. HEMS optimieren in der Regel für ein Ziel wie Kostensenkung, Maximierung der Autarkie oder Minimierung der Emissionen. Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektromobilität und -heizung, Photovoltaikanlagen und dynamischen Tarifen werden HEMS immer beliebter, da das Einsparpotenzial steigt.

Typische Anlagen in einem HEMS

• Photovoltaik (PV) – Eine PV-Anlage oder Aufdach-Solaranlage ist oft der erste Schritt zu einem HEMS, da sie es Haushalten ermöglicht, vom Stromnetz (und den immer volatileren Strompreisen) unabhängig zu werden und lokal erzeugten Strom für den Betrieb der energieverbrauchenden Geräte im Haus zu nutzen. Dazu gehört in der Regel ein Wechselrichter, der den Solarstrom in nutzbare Energie für den Betrieb von Haushaltsgeräten umwandelt.
• Batterie – ein Speichersystem kann überschüssigen Solarstrom speichern, wenn die Sonne scheint, und ermöglicht es, ihn später zu nutzen, wenn er benötigt wird. 
• Wärmepumpe – Eine Wärmepumpe ist eine hocheffiziente, mit Strom betriebene, Anlage für die Heizung von Gebäuden, die die Wärme aus einer externen Quelle bezieht, anstatt sie selbst zu erzeugen. Sie kann durch lokale PV-Anlagen betrieben werden und wird daher ein immer gängigerer Teil eines HEMS.
• Elektofahrzeuge(EV) – EVs sind eine weitere Art flexibler energieverbrauchender Assets.  Da die Fahrzeuge in der Regel über einen langen Zeitraum stehen, kann ihr Ladevorgang in Zeiten verlegt werden, in denen entweder die Solarstromerzeugung hoch ist oder die Strompreise niedrig sind. Das Auto muss über eine Wallbox oder ein anderes smartes EV-Ladegerät mit dem HEMS verbunden werden.
• Smart Meter –Ein Smart Meter, oder auch intelligenter Stromzähler, ist ein wichtiges Element in einem HEMS, da er Echtzeitinformationen über den Verbrauch im Haushalt liefern kann 
• Haushaltsgeräte - Beispielsweise Waschmaschinen oder Kühlschränke können ebenfalls intelligent gesteuert werden, um den Stromverbrauch zu optimieren.

Technische Voraussetzungen

Um ein HEMS zu implementieren, müssen bestimmte technische Anforderungen erfüllt werden, um einen nahtlosen und konsistenten Betrieb verschiedener dezentraler Energieressourcen (DERs) zu gewährleisten;

• Eine stabile und zuverlässige Internetverbindung, die eine ordnungsgemäße Kommunikation zwischen dem Energiemanagementsystem (EMS), dem Server und jedem Energiegerät sicherstellt, wäre von Vorteil, aber ein lokales Netzwerk würde auch ausreichen.
• Eine zentrale Steuereinheit, üblicherweise eine vor Ort installierte Hardware, wie unser IoT-Gateway gridBox, welche die Energieflüsse vor Ort optimiert. Ein Cloud-basiertes Energiemanagement ist auch ohne lokale Hardware möglich, ist jedoch weniger verbreitet und hat eine erhöhte Latenz.
• Ergänzend kommen Software oder Apps, die mit der installierten Hardware kompatibel sind, zum Einsatz, um auf die verknüpften DERs zuzugreifen, sie zu steuern und zu monitoren.

Ziele

Das Ziel eines Home Energy Management Systems ist es, den Energiebedarf eines Haushalts zu decken und gleichzeitig die Kosten und/oder Emissionen zu minimieren. Typischerweise senkt ein HEMS die Kosten und Emissionen, indem es die Nutzung erneuerbarer Energien maximiert, indem es den Verbrauch auf die Zeiten abstimmt, in denen erneuerbare Energien verfügbar sind.

Use Cases

Jeder Haushalt hat seine eigenen Bedürfnisse. Daher können die Use Cases und Anwendungsbereiche variieren, um den individuellen Anforderungen gerecht zu werden. Energiemanagementsysteme für Privathaushalte können zu Beginn mit einem einfachen Aufbau, bestehend aus nur wenigen Assets, in Betrieb genommen und sukzessive um Anlagen erweitert werden, um mehr Einsparungen zu ermöglichen.

•  Monitoring – Zugriff auf Echtzeitdaten und Visualisierung des Betriebsverhaltens, der standortspezifischen Details und der Status aller angeschlossenen Anlagen.
• Optimierung der Autarkie – Maximierung der Menge des selbst erzeugten Stroms, der für die Stromversorgung der übrigen Anlagen in einem Haus verwendet wird, um Kosten und Emissionen zu minimieren.
• Nutzungszeit-Tarife (ToUT) - Verlagerung des Stromverbrauchs von angeschlossenen DERs, wie Wärmepumpen und Elektrofahrzeugen, in Zeiten niedriger Preise.
• Flexibilitätsvermarktung - Verkauf der Flexibilität von Anlagen durch Rückspeisung von Energie in das Netz, wenn überschüssige Energie vorhanden ist, z. B. aus der Batterie, je nach schwankenden Strompreisen und Netzkapazität.
• Größere Use Cases - HEMS ist der Baustein, der künftige Energieanwendungen in größerem Maßstab ermöglicht, z. B. Smart Districts (Energie wird in einem größeren Gebiet vernetzt und optimiert), virtuelle Kraftwerke (die Flexibilität mehrerer DERs wird gebündelt und durch die Teilnahme an Großhandelsmärkten monetarisiert) oder Energiegemeinschaften (Energie wird über Peer-to-Peer-Handel gemeinsam genutzt).