Modular gebaut, individuell gedacht: Wie unser EPOC® EMS Qualität und Flexibilität verbindet

Die CONENGA Group bringt jahrelange Erfahrung in der prozesstechnischen Optimierung und Regelung von Energieanlagen und Energieparks mit. Eine Erkenntnis hat sich dabei immer wieder bestätigt: Kaum eine Anlage gleicht der anderen.

Ob Biomasse-Heizkraftwerk, industrielle Prozessenergieversorgung oder kommunales Fernwärmenetz – jeder Standort hat seine eigene Kombination aus Erzeugern, Speichern und Verbrauchern sowie eigene technische und wirtschaftliche Randbedingungen. Ein Energiemanagementsystem muss diese Unterschiede abbilden können.

Gleichzeitig gilt für ein System, das Anlagenfahrpläne automatisiert optimiert: Es muss zuverlässig funktionieren. Ein Optimierungsmodell kann technisch korrekt aussehen und dennoch in einer konkreten Anlagenkonfiguration zu unerwarteten Ergebnissen führen. Deshalb ist für uns nicht nur die Flexibilität des Systems entscheidend, sondern insbesondere die Möglichkeit, seine einzelnen Bausteine und das Gesamtsystem systematisch zu testen.

Mit rund einer Dekade Erfahrung in der Softwareentwicklung habe ich die Aufgabe übernommen, die EPOC® Suite der CONENGA Group um ein Energiemanagementsystem zu erweitern, das genau dieser Realität gerecht wird: eine individuell auf den jeweiligen Standort zugeschnittene Lösung, die auf standardisierten, wiederverwendbaren und getesteten Bausteinen aufbaut.

Auf den ersten Blick klingt das nach einem Widerspruch. Wie kann eine Software gleichzeitig standardisiert und individuell sein?

Die Antwort liegt in der Modularität – und in einer Teststrategie, die diese Modularität konsequent nutzt.

Für uns ist ein Energiemanagementsystem dabei mehr als eine Software zur Erfassung und Visualisierung von Energiedaten. Im Kern ist das EPOC® EMS ein Optimierungssystem (EMOS, Energy Management & Optimization System): Es bildet die technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen eines Standorts ab (Standortmodell), bindet Prognosen (bspw. Wettervorhersagen, Bedarfsprognosen) ein und berechnet daraus optimale Fahrpläne für die verfügbaren Erzeuger, Speicher und Verbraucher.

Genau diese Aufgabe macht die Frage nach Standardisierung und Individualisierung besonders relevant. Denn wenn jeder Standort andere Anlagen, technische Restriktionen und wirtschaftliche Ziele mitbringt, muss auch das zugrunde liegende Optimierungsmodell flexibel anpassbar sein – und gleichzeitig zuverlässig funktionieren.

Wie lässt sich das erreichen?

Das Dilemma: Standardlösung oder Individualentwicklung?

Bei der Entwicklung von Softwarelösungen lassen sich zwei grundlegende Ansätze unterscheiden: Eine Standardlösung wird als fertiges Produkt für einen breiteren Anwendungsbereich entwickelt und anschließend beim Kunden konfiguriert. Bei einer Individualentwicklung wird die Software dagegen gezielt für die Anforderungen eines konkreten Kunden oder Standorts entwickelt.

Beide Ansätze haben ihre Berechtigung, bringen aber unterschiedliche Herausforderungen mit sich. Standardlösungen passen nicht zwangsläufig zu spezifischen technischen oder fachlichen Anforderungen. Individualentwicklungen lassen sich sehr genau auf einen konkreten Anwendungsfall zuschneiden, erfordern dafür aber mehr Entwicklungs- und Wartungsaufwand. Zudem müssen kundenspezifische Funktionen und ihre Wechselwirkungen entsprechend getestet werden.

Für unsere Kunden ist beides nicht ideal.

Die Lösung kann nicht darin bestehen, die Anlage an die Software anzupassen. Sie muss darin bestehen, die Software flexibel an die Anlage anzupassen – ohne dabei bei jedem Projekt die gesamte Software neu entwickeln und testen zu müssen.

Ein in der Softwareentwicklung etablierter Ansatz für genau diese Art von Herausforderung ist das Software Product Line Engineering (SPLE). Dabei wird nicht jedes Softwaresystem vollständig unabhängig entwickelt. Stattdessen entsteht eine Familie verwandter Systeme aus einem gemeinsamen Bestand wiederverwendbarer Komponenten, Funktionen und weiterer Entwicklungsartefakte. Die einzelnen Produkte unterscheiden sich dort, wo ihre jeweiligen Anforderungen es erfordern.

Genau an diesem Prinzip orientieren wir uns bei unserem Energiemanagementsystem.

Wir entwickeln nicht für jeden Standort ein vollständig neues EMS. Wir entwickeln eine gemeinsame Basis aus getesteten Anlagenkomponenten, Optimierungsalgorithmen und technischen Regeln, aus der sich individuelle Standortlösungen zusammensetzen lassen.

Die Standardisierung liegt damit nicht auf Ebene des fertigen Produkts, sondern auf Ebene der Bausteine. Dadurch können wir individuelle Anforderungen berücksichtigen und gleichzeitig auf bereits entwickelte und getestete Funktionalität zurückgreifen.

Standardisierte Bausteine, individuelle Anlagen

Das EPOC® EMS verfügt über vorgefertigte, implementierte und getestete Komponenten für verschiedene Anlagentypen. Dazu gehören beispielsweise Wärmepuffer, Batteriespeicher, Blockheizkraftwerke (BHKW) und (Biomasse-)Kessel.

Dabei endet die Modularität nicht auf Ebene der Anlagenkomponenten. Auch die zugrunde liegenden Algorithmen sind als wiederverwendbare Bausteine konzipiert.

Ein Beispiel sind Mindestlaufzeiten und Mindeststillstandszeiten. Solche technischen Restriktionen sind für ein BHKW relevant, können aber auch bei anderen Anlagen eine Rolle spielen. Ein einmal entwickelter und getesteter Algorithmus muss daher nicht auf einen einzigen Anlagentyp beschränkt bleiben.

Die Vorteile dieses Ansatzes werden deutlich, wenn man zwei vereinfachte Standorte miteinander vergleicht:

• Standort A verfügt über ein BHKW mit Wärmespeicher, das ein Fernwärmenetz versorgt.
• Standort B verfügt über dieselbe Grundausstattung und ergänzt diese um eine PV-Anlage und einen Power-to-Heat-Baustein, beispielsweise einen Elektrodenkessel.

Für beide Standorte können dieselben bewährten Bausteine für BHKW und Wärmespeicher verwendet werden. Für Standort B müssen diese Komponenten nicht neu entwickelt werden. Sie werden entsprechend den technischen Gegebenheiten parametrisiert und um die bereits vorhandenen Module für PV und Power-to-Heat ergänzt.

Eine neue Anlagenkombination entsteht damit nicht durch eine komplette Neuentwicklung, sondern durch die Kombination bewährter Bausteine.

Der Ansatz entspricht damit dem Grundprinzip einer Software Product Line: Eine gemeinsame Basis aus wiederverwendbaren „Core Assets“ bildet die Grundlage für unterschiedliche Varianten. Bei unserem EMS sind diese Core Assets beispielsweise Anlagenmodelle, Optimierungsalgorithmen und technische Restriktionen.

Die konkrete Standortlösung entsteht durch die Auswahl, Parametrisierung und Kombination dieser Bausteine sowie durch die Ergänzung standortspezifischer Funktionalität.

Modularität ermöglicht Qualität durch systematisches Testen

Bei einem Energiemanagementsystem ist eine funktionierende Software allein nicht genug. Die berechneten Fahrpläne müssen auch unter unterschiedlichen technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen zuverlässig und nachvollziehbar funktionieren.

Deshalb ist das Testen für uns kein abschließender Schritt am Ende der Entwicklung. Die Testbarkeit ist Bestandteil der Architektur. Der modulare Aufbau des EMS ermöglicht es, die Funktionalität auf unterschiedlichen Ebenen systematisch zu testen.

Dabei können einzelne Algorithmen unabhängig von einem konkreten Standort geprüft werden. Darauf aufbauend lassen sich Anlagenkomponenten testen, bevor sie mit anderen Komponenten zu einem Standortmodell kombiniert werden. Abschließend wird auch das Gesamtsystem mit seiner standortspezifischen Konfiguration getestet.

Algorithmus → Komponente → Kombination von Komponenten → vollständiger Standort

Eine neue kundenspezifische Komponente beginnt damit nicht bei null. Sie kann auf bereits getesteten Algorithmen und Komponenten aufbauen und wird um die für sie spezifischen Tests ergänzt.

Die Wiederverwendung beschränkt sich damit nicht auf Softwarecode. Auch Testfälle, Testwissen und Testinfrastruktur werden wiederverwendbar.

Individuell heißt trotzdem nicht identisch

Modularität bedeutet allerdings nicht, dass jede Komponente an jedem Standort exakt gleich betrieben wird.

Eine Batterie kann beispielsweise ganz unterschiedliche Aufgaben übernehmen: Sie kann primär zur Eigenverbrauchsoptimierung eingesetzt werden oder zur Teilnahme an einem Regelenergiemarkt. Auch zwei BHKW können sich hinsichtlich Leistungsgrenzen, Wirkungsgradkennlinien oder weiterer technischer Randbedingungen erheblich unterscheiden.

Diese Unterschiede lassen sich auf mehreren Ebenen abbilden. Standardkomponenten können über Parameter an die jeweilige Anlage angepasst werden – beispielsweise hinsichtlich Leistungsgrenzen, Wirkungsgradkennlinien oder Fahrstrategie. Reicht die Konfiguration nicht aus, können bestehende Komponenten gezielt erweitert werden. Technisch lässt sich dabei auf eine Klasse der Standardbibliothek aufsetzen und diese um kundenspezifische Eigenschaften ergänzen oder anpassen.

So bleibt die bewährte Basisfunktionalität erhalten, während die Individualisierung gezielt und nachvollziehbar darauf aufsetzt.

Und wenn es den benötigten Baustein noch gar nicht gibt?

Nicht jeder Anlagentyp, der zukünftig in einem Projekt benötigt wird, muss bereits Bestandteil der Standardbibliothek sein. Ein Beispiel dafür ist ein Elektrolyseur zur Wasserstofferzeugung.

Ein Elektrolyseur ist heute noch keine Standardkomponente unseres EMS. Wird er für ein Projekt benötigt, muss dennoch nicht die gesamte Optimierungslogik neu entwickelt werden. Auch hier lassen sich bereits vorhandene Bausteine wiederverwenden. Beispielsweise gibt es gute technische Gründe, das häufige An- und Ausschalten eines Elektrolyseurs zu begrenzen. Mindestlauf- und Mindeststillstandszeiten können daher relevant sein. Der dafür benötigte Algorithmus wurde ursprünglich für ein BHKW entwickelt und ausführlich getestet. Er kann nun als Baustein auch in einer neuen Komponente verwendet werden.

So können auch neue Anlagentypen auf einer bestehenden, modularen Basis aufgebaut werden.

Technik-Kasten: Was „modular“ im Optimierer bedeutet

Das EPOC® EMS löst ein mathematisches Optimierungsproblem, um optimale Fahrpläne für die beteiligten Anlagen zu ermitteln. Dazu wird das zugrunde liegende Problem als Mixed Integer Linear Program (MILP) formuliert.

Es handelt sich also nicht lediglich um eine Heuristik oder um eine Visualisierung bestehender Energieflüsse. Das System berechnet unter Berücksichtigung technischer und wirtschaftlicher Randbedingungen einen optimierten Anlagenfahrplan.

In Matrixschreibweise lässt sich das Optimierungsproblem schreiben als:

Der Vektor enthält dabei die Entscheidungsvariablen des Optimierungsproblems in jedem Zeitschritt des Optimierungshorizonts – beispielsweise Leistungen, Speicherfüllstände oder An-/Aus-Zustände von Anlagen. Der Vektor beschreibt die Kosten, während sowie die zugehörigen Schranken die technischen und wirtschaftlichen Nebenbedingungen abbilden.

Auch die Modularität des EMS spiegelt sich unmittelbar in diesem mathematischen Modell wider.

Für einen beispielhaften Standort mit BHKW, Wärmespeicher, PV-Anlage und Power-to-Heat können die Matrix und der Vektor als Kombination verschiedener Anlagenblöcke dargestellt werden – gilt analog auch für die Vektoren der Schranken:

Jede Anlage bringt dabei einen eigenen Block technischer Nebenbedingungen mit. Die übrigen Einträge sind zunächst null. Erst die Kopplungsbedingungen verbinden die einzelnen Anlagen miteinander – beispielsweise über eine gemeinsame Wärme- oder Strombilanz.

Auch die einzelnen Anlagenblöcke können wiederum modular aufgebaut sein. Ein BHKW-Modell kann beispielsweise aus allgemeinen Bausteinen für Mindestlaufzeiten und geplante Stillstände bestehen, die anschließend durch individuelle Eigenschaften ergänzt und parametrisiert werden.

Vorteile des modularen Ansatzes

Beim Aufbau unseres EMS orientieren wir uns an den Prinzipien des Software Product Line Engineering: Eine gemeinsame Softwarebasis aus wiederverwendbaren Komponenten und Algorithmen bildet die Grundlage für unterschiedliche, individuell konfigurierte Standortlösungen.

Aus diesem Ansatz ergeben sich für uns insbesondere folgende Vorteile:

• Hohe Qualität und geringeres Fehlerrisiko: Bewährte Komponenten und Algorithmen können wiederverwendet werden, anstatt für jedes Projekt neu implementiert zu werden. Neue Entwicklungen bauen auf bereits geprüfter Funktionalität auf.
• Gute Wartbarkeit: Klar abgegrenzte und verständliche Komponenten erleichtern Wartung und Weiterentwicklung. Der modulare Aufbau und die damit einhergehende bessere Lesbarkeit des Codes helfen dabei, Fehler bei Änderungen zu vermeiden und zukünftige Entwicklungen beherrschbar zu halten.
• Nachvollziehbare Individualisierung: Kundenspezifische Anforderungen können gezielt auf bestehenden Komponenten aufbauen, anstatt die gesamte Lösung zu verändern.
• Effiziente Umsetzung: Bestehende Komponenten und Algorithmen sowie die dazugehörigen Entwicklungs- und Testartefakte können für neue Standorte wiederverwendet werden.
• Weiterentwickelbarkeit: Neue Anlagen und Anforderungen können als zusätzliche Bausteine integriert werden, ohne die bestehende Basis grundlegend verändern zu müssen.

Fazit: Individuelle Lösungen auf einer getesteten Basis

Kaum eine Energieanlage gleicht der anderen. Ein Energiemanagementsystem muss deshalb die individuellen technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen eines Standorts berücksichtigen. Gleichzeitig muss es zuverlässig funktionieren und auch bei zukünftigen Erweiterungen beherrschbar bleiben.

Genau hier liegt die Stärke unseres modularen Ansatzes.

Wir standardisieren nicht die Anlage und auch nicht den fertigen Standort. Wir standardisieren die Bausteine, aus denen die individuelle Lösung aufgebaut wird – und schaffen damit eine gemeinsame, systematisch getestete Basis.

Damit orientieren wir uns an den Prinzipien des Software Product Line Engineering: Wiederverwendbare Komponenten und Algorithmen können zu unterschiedlichen, individuellen Standortlösungen kombiniert und bei Bedarf erweitert werden. Die Modularität ermöglicht dabei nicht nur Flexibilität, sondern auch eine systematische Qualitätssicherung.

Das EPOC® EMS nutzt diese Basis, um technische und wirtschaftliche Randbedingungen in einem Optimierungsmodell abzubilden und daraus optimale Fahrpläne für den Anlagenbetrieb zu berechnen. Damit geht es über die reine Erfassung und Verwaltung von Energiedaten hinaus. Aus unserer Projekterfahrung bei der CONENGA Group wissen wir: Nur wenige Standorte verfügen bereits über einen echten Optimierer für ihre Fahrpläne – häufig auch deshalb, weil individuelle Anlagenkonfigurationen und verfügbare Standardsoftware nur schwer zusammenpassen.

Unser modularer Ansatz schließt genau diese Lücke: individuelle Optimierung auf einer gemeinsamen, wiederverwendbaren und systematisch getesteten Softwarebasis.

Damit das EMS automatisiert optimieren kann, braucht es allerdings eine belastbare Datengrundlage. Wie ich bereits in meinem Blogbeitrag zur Digitalisierung beschrieben habe, ist die Erfassung und Zusammenführung von Betriebsdaten über CONENGA Process Data eine wichtige Grundlage dafür.

Digitalisierung und Optimierung greifen damit ineinander: Die belastbare Datenbasis ermöglicht die automatisierte Fahrplanoptimierung. Die modulare Softwarebasis wiederum ermöglicht es, diese Optimierung auch für individuell aufgebaute Standorte auf einer qualitativ abgesicherten Grundlage umzusetzen – und dabei individuelle Ziele zu verfolgen, ganz im Sinne von Industrie 5.0.