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Drittes Konsortialtreffen – Update zur Ontologieentwicklung und Diskussion zu einem Anwendungsbeispiel

Im Februar 2022 fand das dritte Konsortialtreffen statt. In diesem Treffen, welches zum wiederholten Male online stattfinden musste, wurde der aktuelle Projektstand sowie die nächsten Schritte unter dem Konsortium abgestimmt. Als Projektleiter eröffnete Raphael Stott von den Stadtwerken Trier das Konsortialtreffen. Anschließend übernahm Martin Trat vom FZI Forschungszentrum Informatik die Moderation und präsentierte einen Rückblick und den aktuellen Status des Projektes. Er stellte die bisherigen Outputs und Meilensteine vor.  Der Projektträger Jülich konnte nicht am Konsortialtreffen teilnehmen.

Professor Hendro Wicaksono von der Jacobs Universität (JU) begann die Präsentationen der Projektpartner mit dem Stand zur semantischen Middleware und Ontologieentwicklung hinter der Delfine-Lösung. An seiner Seite präsentierten nachfolgend die wissenschaftlichen Mitarbeiter Tina Boroukhian und Atit Bashyal von der JU die Architektur und Schnittstellen der Datenverarbeitung.  Zudem stellten sie ihren wissenschaftlichen Artikel vor, welcher die Methoden und mögliche Verbindungen von Ontologie in der semantischen Middleware für Demand-Response Systeme erläutert.

Im weiteren Vortrag zu den dazugehörigen Arbeitspaketen wurde das Thema 3D-Modellierung der Demand-Response-Simulation präsentiert. Die Mitarbeiter der JU stellten hierzu ihr Paper vor, auf dessen Grundlage die Datenintegration von Erneuerbaren Energien für industrielle Demand-Response-Lösungen erfolgen soll. Es wurde dargestellt welche Optionen für die Nutzung und Visualisierung von Energie-Erzeugungsprognosen sowie Klimadaten genutzt bzw. umgesetzt wurden. Während der Diskussion über die Datengrundlage wurden Schnittstellen anderer Teilnehmer zur Nutzung vorhandener Daten gefunden. Zudem wurden das Dashboard und die API-Schnittstelle der Datenverarbeitung vorgestellt.

Weiterführend übernahm Daniel Diewald von den Stadtwerken Trier und stellte ein Beispielszenario für eine Demand-Response-Simulation vor, indem ein dynamischer Delfine-Strom-Index (Preisgrundlage) für den Anwendungspartner Kautenburger erzeugt und angeboten wird. Dieses Beispiel basierte auf einem Herstellungsprozess und veranschaulichte wie der dynamische Strompreis generiert und an die Anwendungspartner übermittelt werden könnte. Nachfolgend wurde gemeinsam abgestimmt, welche Kriterien aus Anwendersicht sowie aus Sicht des Energieversorgers abgebildet werden sollten und wie diese KPIs dargestellt werden können.

Auf Grundlage des vorgestellten Beispielszenarios wurde der Stand der Entwicklung der 3D-Simulationsumgebung von Dr. Victor Häfner, welcher im Bereich der Virtual Reality am KIT forscht, vorgeführt. In einer intuitiven Visualisierung wurden die Simulationsdaten in eine 3D-Umgebung integriert, welche eine nützliche Interaktion für die Anwendungspartner ermöglicht. Diese Simulationsumgebung wird auf die finalen Demand-Response-Simulationen angepasst.

Darauffolgend erklärte Dr. Christoph July von der Devolo AG den derzeitigen Stand der Energiemessungen in den Produktionen der Anwender, welche zur Grundlage der Produktionsoptimierung ermittelt werden. Die Hardware zur Verbrauchsmessung ist größtenteils installiert und die Daten werden bereits über die OpenEMS-Schnittstelle als Energieplattform übertragen. Diese Daten werden über eine Rest-API von StromDAO abgerufen.

In diesem Kontext stellte Mischa Ahrens vom FZI die Produktionsoptimierung unter der Anwendung des DSI vor und zeigte dabei auf worauf es bei der Datenqualität ankommt. Zusätzlich gab er einen Einblick in die erstellte Lösungsarchitektur und Datenmodellierung die zur Optimierung dienen sollen.

Mine Tuncinan vom FZI vertiefe die Produktionsoptimierung indem Sie einen Einblick in Ihre Arbeit zum Machine Learning im Bereich der Produktionsoptimierung präsentierte. Dabei zeigte sie auf wie ein iterativer Lernprozess in der Produktion durch Q-Learning entstehen kann, indem bestimmte Algorithmen zum Erfassen von Ist-Zuständen genutzt werden. 

Anschließend präsentierte Fabian Schwarzbeck von StromDAO die Ergebnisse zur Strommarktanalyse in Deutschland und die Analyse neuer Geschäftsmodelle. Er stellte dar, wie sich der Einflussfaktor CO2, welcher ebenfalls ein Indikator der Delfine-Lösung ist, auf den deutschen Strommarkt auswirkt und wie sich die CO2-Bepreisung abbildet.

Abschließend wurden die durchgeführten und geplanten Dissemination-Aktivitäten vorgestellt sowie die Termine zu anstehenden Workshops der Konsortialpartner abgestimmt.

Das nächste Konsortialtreffen ist vorläufig für September 2022 geplant.

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Zweites Konsortialtreffen – Nachhaltigkeit als Ziel, nicht zuletzt auch durch die Nutzung von Standards und quelloffenen Lösungen

Im September 2021 fanden sich Vertreter aller Projektbeteiligten für das zweite Konsortialtreffen zum Vorhaben Delfine online zusammen, um gemeinsam auf den Fortschritt zu blicken und diesen zu diskutieren. Eröffnet wurde die Veranstaltung durch Raphael Stott, Mitarbeiter der konsortialführenden Stadtwerken Trier, mit einem Rückblick auf vergangene Projektmonate. Dieser hob hervor, dass, trotz der Notwendigkeit Treffen ausschließlich online abzuhalten, den Erfolg gemeinsamer Anstrengungen nicht schmälerte.

Den Bericht zum Arbeitspaket zur Anforderungsanalyse begann Hendro Wicaksono, Professor der Jacobs University. Dieser verbildlichte u.a. die Lücke, welche das Delfine-System in der Landschaft existierender Lösungen für, im weiteren Sinne, Demand-Response-basiertes Energiemanagement schließt. Vor allem der Fokus auf den Umgang mit Erzeugung aus erneuerbaren Energien und der verstärkte Einsatz von Ontologien für die Datenmodellierung, sowie von Deep Learning und statistische Methoden für Erzeugungsprognosen grenzen das Vorhaben vom Stand der Technik ab. Nach Abschluss von einführenden Recherchen und der Erhebung von Anforderungen steht nun ein geschärftes Architekturkonzept des Delfine-Systems inklusive erforderlicher Schnittstellen. Zudem wurden bereits erste Testszenarien zur Erprobung dieses Systems definiert, wobei spezifisch darauf geachtet wurde, den Nutzen dessen mithilfe von Performanzindikatoren messbar zu machen.

Im Rahmen des Arbeitspakets, welches sich auf die Ausgestaltung des Delfine-Systems in Form einer semantischen Middleware fokussiert, wurden nun praktische Anwendungsfälle konkretisiert. Diese sollen vor allem das Zusammenspiel von Energieversorgern und ‑abnehmern, sowie die Form und Konsumierbarkeit dafür erforderlicher Datenquellen bzw. ‑schnittstellen aufzeigen. Dass etablierte Standards als tragende Säulen in die Ausgestaltung des Systems eingehen, verdeutlichte Tina Boroukhian, PhD-Studentin der Jacobs University, mit ihren Erläuterungen zum domänenübergreifenden Verknüpfen unterschiedlicher Ontologiestandards. Diese Vorgehensweise wird im Projekt verfolgt, um u.a. Sensorik, Energieerzeugungsanlagen und das Demand-Response-Konzept funktional zu harmonisieren und dabei Interoperabilität zwischen zugehörigen Standards herzustellen.

Die Arbeiten zur dreidimensionalen immersiven Darstellung des Delfine-Systems ließen die Phase der Recherche hinter sich und schreiten zur Prototypisierung und Evaluierung voran. Als Voraussetzung dessen zeigte Atit Bashyal, ebenso PhD-Student der Jacobs University, seine vergleichende Einschätzung von Deep-Learning-basierten und rein statistischen Ansätzen zur kurz- und mittelfristigen Erzeugungsprognose von Wind- und Solaranlagen. Er verwies auf vielversprechende Beobachtungen zu den Deep-Learning-basierten Ansätzen und erklärte seine Absicht, Reinforcement-Learning-basierte Ansätze und gegebenenfalls die Zusammenfassung unterschiedlicher Modelle zu Ensembles in weiteren Experimenten zu untersuchen. Zur Vorbereitung geplanter Aktivitäten zur Systemvisualisierung, gab Dr. Victor Häfner Einblicke in zurückliegende Arbeiten des Instituts für Informationsmanagement im Ingenieurwesen des Karlsruher Instituts für Technologie zur immersiven Datenvisualisierung.

Mit voranschreitender Ausstattung der Anwendungspartner mit Energiemessgeräten und deren sichere Anbindung an eine zentrale Instanz über Smart Meter Gateways zeigen ebenso datengetriebene Simulationsansätze für die Produktionsoptimierung Fortschritte. Dr. Christoph July, Mitarbeiter von Devolo, erklärte Details zum verfolgten Messkonzept und verwies auf Erweiterungen der quelloffenen Energiemanagement-Software OpenEMS, welche für die Integration der unterschiedlichen eingesetzten Messgeräte erforderlich wurden. Die so gesammelten Daten sollen im Delfine-System zur simulationsbasierten Produktionsoptimierung bei den industriellen Energieabnehmern eingesetzt werden. Hierfür zeigte Martin Trat, wissenschaftlicher Mitarbeiter am FZI Forschungszentrum Informatik, erste Ansätze, implementiert auf Basis quelloffener Simulationssoftware, und mögliche Konzepte für deren Integration in das Delfine-System.

Ausgehend von aktuellen Problemen des Energiemarktes zeigte Thorsten Zörner, Geschäftsführer der STROMDAO, ein Geschäftsmodell, basierend auf dem Konzept eines Hybridstrommarktes, als Rahmen auf, in welchem das Delfine-System Anwendung finden soll. Als Basis für die Preisgestaltung dient hierbei der Delfine-Strom-Index, welcher rechnerisch den Anteil des erneuerbaren Energiebezugs am Gesamtbezug angibt. Zudem soll damit die Minimierung der Menge fremdbezogener Energie incentiviert werden.

Das Konsortium beschloss das Treffen mit einem Ausblick auf die anstehenden Ziele der kommenden Projektmonate. Das nächste Konsortialtreffen ist, mit zeitlicher Nähe zur Halbzeit des Projektes, für Februar 2022 angesetzt.

Teilnehmer des zweiten Konsortialtreffens (Quelle: Delfine-Konsortium)
Teilnehmer des zweiten Konsortialtreffens (Quelle: Delfine-Konsortium)

Projektinteressierte konnten bereits am 24.09.2021, im Rahmen eines Vortrags des regelmäßig stattfindenden OpenEMS Networking Friday, Details zum Konzept der semantischen Middleware erfahren.

Vortrag zu semantischer Middleware von Prof. Dr.- Ing. Hendro Wicaksono auf dem OpenEMS Networking Friday, 24.09.2021

Der nächste Impulsvortrag in diesem Format ist am 21.01.2022 geplant [weiterführende Informationen]. Ebenso konnte die Lehre am Karlsruher Institut für Technologie mit Forschungsfragen bedient werden.

Ansprechpartner Projektkoordination: Raphael Stott, Stadtwerke Trier, raphael.stott@swt.de

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Erstes Konsortialtreffen und Fortschritte

Anfang Februar 2021 fand das erste Konsortialtreffen zum Projektvorhaben Delfine statt. Die Partnerunternehmen nutzten dieses, um erste Erkenntnisse und Anforderungen vorzustellen und zu diskutieren. Im Mittelpunkt standen dabei Software-, Daten- und Kommunikationsarchitekturkonzepte, für das geplante dynamische Demand-Response-basierte System. Um den Austausch zwischen Energieversorgern und –abnehmern mithilfe von einheitlichen und durchgängigen Informationsströmen sicherzustellen, planen die Forscher der Jacobs University Bremen eine Datenstruktur, die auf offenen Ontologiestandards basiert. Vorausblickend haben die Mitarbeiter der Stadtwerke Trier zudem Vorschläge für die Definition von Validierungsszenarien im praktischen Umfeld der Projektteilnehmer gemacht.

Veranschaulichung grundlegender Konzepte und Ziele des Projektes Delfine, welches, mithilfe einer semantischen Vermittlungslösung, den dynamischen Austausch zwischen Energieversorgern und industriellen -abnehmern mit Fokus auf effizienter Nutzung volatiler Energien anstrebt. Hierbei sollen vor allem die thematischen Schwerpunkte der Projektpartner und deren kollaborative Verzahnung verdeutlicht werden.

Im weiteren Projektverlauf haben die Partner in Workshops Lösungsanforderungen vervollständigt und ein gemeinsames Lösungsverständnisses in Form von Strategien, Kennzahlen und Begrifflichkeiten erarbeitet.
Bei virtuellen Firmenrundgängen stellten die Anwendungspartner MaTec Gummiwerk und Kautenburger, ihr Arbeits- und Produktionsumfeld vor. Auf dieser Grundlage haben die Forscher des Forschungszentrum Informatik erste Ansätze zur Optimierung der Produktionsplanung im Hinblick auf Energieflexibilität entworfen. Dafür definierten Mitarbeiter von Devolo ein Konzept zur Erfassung von Daten zur Beschreibung von Lastprofilen von Produktionsprozessen und formulierten Anforderungen an ein integriertes Energiemanagement dieser.
Die Mitarbeiter von STROMDAO haben erste Visualisierungsansätze eines Delfine-Indexes, der sowohl Aufschluss über den Strompreis als auch den Ökostromanteil gibt, erarbeitet.

Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt Delfine wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Förderbereich „Digitalisierung der Energiewende“ gefördert und vom Projektträger Jülich betreut.

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Kick-Off des Projektes Delfine

Dass sie aus Sonne und Wind Strom erzeugen können, haben die Stadtwerke Trier (SWT) in den vergangenen Jahren mehrfach unter Beweis gestellt. Inzwischen betreiben sie über 30 Anlagen in Eigenregie und sind an mehr als 20 weiteren Anlagen beteiligt. Rund 170 Millionen Kilowattstunden Ökostrom stehen damit jährlich für die Vermarktung zur Verfügung. „Für Privatkunden funktioniert das bereits ganz gut. Wie diese saubere Energie künftig auch für energieintensive Industriebetriebe zum Einsatz kommen kann, wollen wir jetzt genauer untersuchen“, beschreibt Rudolf Schöller, Bereichsleiter Entwicklung Erzeugung bei den SWT, das Forschungsziel. Zusammen mit Partnern aus Forschung, IT- und Energiebranche sowie zwei mittelständischen Unternehmen hat der Trierer Energieversorger unter den Namen Delfine eine Projektgruppe gegründet. Delfine steht für Dynamisches Demand-Response-System für eine nachhaltige Fertigung durch informationstechnische Vernetzung zur effizienten Energienutzung, -vermarktung und –erzeugung. „Das klingt nicht nur kompliziert, sondern ist auch anspruchsvoll: Unsere Ökostrom-Produktion hängt davon ab, wann die Sonne scheint und der Wind weht, ist also starken Schwankungen ausgesetzt. Die Betriebe brauchen aber eine planbare und zuverlässige Energieversorgung“, erklärt Thorsten Zoerner, CEO der STROMDAO GmbH die Herausforderung.

Mit der Kautenburger GmbH, einem Sondermaschinenbauer aus Merzig, und der MaTec Gummiwerk GmbH, ein Hersteller für technische Gummiformteile, wollen sich zwei energieintensive Betriebe dieser Herausforderung im Rahmen des Projekts stellen.
„In der Fertigung von Gummiformteilen ist das Energiemanagement ein wesentlicher Erfolgsfaktor. Die MaTec Gummiwerk GmbH hat in den vergangenen Jahren bereits viel geleistet, um den Energiebedarf der Maschinen sukzessive zu senken. Mit Delfine gehen wir noch einen Schritt weiter und wollen unseren Verbrauch mit der Verfügbarkeit von Strom aus regenerativen Energieträgern im Markt abgleichen. Wir sind zuversichtlich, dass es uns dank der Partner aus den verschiedenen Industriedomänen gelingt, ein optimiertes Demand-Response-Verhalten zu erreichen und hierdurch zukünftig nicht nur effizienter, sondern auch nachhaltiger zu produzieren“, erklärt André Henning, Geschäftsführer der MaTec Gummiwerk GmbH.
Mitte September fand das offizielle Kick-off Meeting statt. Im nächsten Schritt folgt die Analyse der technischen und ökonomischen Herausforderungen und Anforderungen für die Versorger- und die Verbraucherseite. „Die gesamte Delfine-Lösung umfasst die Erfassung und Verarbeitung von Daten aus heterogenen Quellen wie zum Beispiel Anlagen-, Sensor-, Wetter- und Produktionsdaten. Somit wird ein Konzept des Datenmanagements und der Datenintegration mittels semantischer Technologien und eine serviceorientierte Architektur entwickelt“, beschreibt Hendro Wicaksono, Professor an der Jacobs University Bremen, die Projektvision.
Neben der Jacobs University Bremen wird das Projekt von Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) sowie dem ebenfalls in Karlsruhe ansässigen FZI Forschungszentrum Informatik wissenschaftlich begleitet. „Delfine bietet eine interdisziplinäre Forschungsherausforderung aus den Bereichen Energiemanagement, Datenmanagement, künstliche Intelligenz, und Produktionsoptimierung an. Daher wird das interdisziplinäre Team aus Forschung und Industrie die Qualität und Anwendbarkeit der Lösung sicherstellen“, erklärt Hendro Wicaksono.
Das Projekt läuft über einen Zeitraum von drei Jahren und wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.

Überblick über alle Projektpartner

Das Delfine-Konsortium für setzt sich aus neun interdisziplinären Partnern zusammen:

  • Stadtwerke Trier (SWT) als Stromerzeuger
  • STROMDAO GmbH, ein Big-Data- und IT-getriebener Grünstromanbieter
  • Kautenburger GmbH, Experte für Sondermaschinenbau
  • MaTec Gummiwerk GmbH, Spezialist und Hersteller für technische Gummiformteile
  • devolo AG, Anbieter von SmartGrid Lösungen
  • Pumacy Technologies AG, Softwareinnovator im Bereich Wissensmanagement und Data Analytics
  • Jacobs University Bremen
  • Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
  • FZI Forschungszentrum Informatik, Karlsruhe

Mehr erfahren: Pressemeldung in der Zeitung für kommunale Wirtschaft (ZfK).