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Mittwoch, 29. Oktober 2014

Universität versorgt stadtgroßen Campus mithilfe von InduSoft Web Studio mit Energie

Die Universität von Texas versorgt einen 1,6 Millionen m2 großen Campus mithilfe von InduSoft Web Studio und neuester Technologie mit Energie




Abb. 1: Campus-Plan der Universität von Texas


 

Hintergrund

Das Energieministerium der Vereinigten Staaten hat Energieanlagenbetreiber vor eine neue ökologische Herausforderung gestellt. Ziel ist es, 20% der in den USA produzierten Energie mit thermischer Energie  abzudecken. Thermische Energie bleibt momentan beim Energiegewinnungsprozess ungenutzt und wird sprichwörtlich vergeudet. In Dänemark z. B. wird 55% der benötigten Energie über nicht genutzte Wärme generiert.
 
Mit dem als Kogeneration oder Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) bekannten Prinzip, gewinnen Energieanlagen Strom aus Energiequellen wie Biogas, Kohle, Erdöl, Erdgas und Nuklearenergie und nutzen die bei diesem Prozess entstehende Wärme. Durch die Verwendung von ansonsten ungenutzter Wärme, sind Stromerzeuger in der Lage, effizienter zu wirtschaften.
 
In den USA ist die Universität von Texas in Sachen KWK Vorreiter. Durch die Nutzung von Kogenerationsprozessen in mehreren Energieanlagen, schafft es die Universität, 100% der auf dem 1,6  Millionen m2 großen Campus benötigten Energie zu gewinnen. Versorgt werden damit Stadien, Labors, Büros, Unterrichtsräume und Bühnen.  
 
Der Versorgungsbetrieb ist Teil der Mitarbeiter- und Campusverwaltung der Universität von Texas in Austin.  Diese Abteilung nutzt hocheffiziente Energiegewinnungsprozesse wie KWK, um die Universität auf zuverlässigem und kostengünstigem Wege mit Elektrizität, Kühlwasser, Dampf, deionisiertem Wasser, Druckluft und Notstromquellen zu versorgen.
 
Die Versorgungsschächte und Leitungsrohre der Universität von Texas in Austin verfügen über eine Länge von zusammengenommen 9,6 km, an die 170 Gebäude angeschlossen sind. Jährlich kommt eine Fläche von ca. 23.000 m2 hinzu, 186.000 m2 sind derzeit in Planung und Bau begriffen. Von seiner Infrastruktur her ist der Campus mit einer Kleinstadt zu vergleichen.
 
Die eigentliche Anlage verfügt über eine Kapazität von 135 MW zur Gewinnung von Elektrizität, die bei 12.000 und 4.160 Volt in den einzelnen Gebäuden generiert wird. Produziert wird eine Kühlkapazität von 44.000 Tonnen sowie eine Wärmespeicherkapazität von 36.000 m3/h, mit der 3,9°C kaltes Wasser bereit gestellt wird, das zu Kühlzwecken auf dem Campus benötigt wird. Das Dampfkraftwerk generiert 425 psi, 371°C Dampf für die Turbinen und zieht 150 psi, 260°C Dampf aus den Turbinen, um den Campus zu heizen und mit Warmwasser zu versorgen.  Die Kapazität der Dampfanlage liegt bei  ca. 500.000 Kilogramm pro Stunde.
 
Die Anlage produziert jährlich 242 Millionen kWh Elektrizität, 142 Millionen m3/h Kühlwasser, 717 Millionen Pfund Dampf und 32 Millionen Liter entmineralisiertes Wasser. Um die Bereitstellung abrechnen zu können, wurde eine Infrastruktur errichtet, mit der die Zähler abgelesen, Rechnungen erstellt, der voraussichtliche Energieverbrauch errechnet und bei Bedarf in Berichten zusammengefasst werden kann.

Um den Energieverbrauch zu Abrechnungszwecken messen zu können, benötigte die Universität eine Lösung, mit der Energiewerte effizient und zuverlässig überwacht und nachverfolgt werden konnten. Sie entschied sich für InduSoft Web Studio, um sich der neuen Herausforderung zu stellen.

 

 


Abb. 2: Typischer SPS-Verteilerkasten in einem

Die Herausforderung

Ursprünglich las die zuständige Abteilung die Zähler manuell ab. Die Infrastruktur wurde mithilfe von SPS und elektronischen Messgeräten errichtet, die den gesamten Campus miteinander vernetzten. Die Datensammlung über diese Geräte begann im Jahr 2006 mit OPC DA-Technologie und einem Prozessdatenarchiv, das der Abteilung bereits zur Verfügung stand. Mit MS Excel wurden Energieverbrauchsberichte aus dem Datenarchiv gezogen. Der dadurch verursachte Aufwand war teuer, zeitaufwändig und betraf mehrere Mitarbeiter. Zudem dauert es manchmal Wochen, um eine Rechnung für ein bestimmtes Gebäude zu erstellen.
 
Die Überlegungen ein Messsystem zu integrieren, begannen 2007, aber erst nachdem die verantwortlichen Mitarbeiter mehrere Programme miteinander verglichen hatten, wurde dieses 2010 implementiert. Damals wurde nach einer Lösung gesucht, die bestimmte Voraussetzungen erfüllen musste. Dazu zählte die Verarbeitung großer Energiedatenmengen, deren übersichtliche und nachvollziehbare Darstellung, die Nutzung dieser Daten, um Informationen über den Energieverbrauch in den einzelnen Gebäuden zu gewinnen, die Möglichkeit Warnmeldungen von Zählern und Messgeräten zu erhalten und diese zu warten, automatisierte Zähler überwachen sowie Berichte und Rechnungen für einzelne Abteilungen und Gebäude erstellen zu können.
 
Anfänglich waren es 20 Zähler, deren Zahl bis 2002 auf 200 angestiegen war, weil der Energieverbrauch in den Forschungseinrichtungen gemessen werden musste. Bis dato wurden alle Zähler per Hand abgelesen. Dies wurde aber zunehmend impraktikabel, da die Abteilung jährlich 100 bis 200 neue Zähler einbaute.  

Man entschied sich bald dafür, jeden gebäudeeigenen Zähler zur Messung von Strom, Dampf, Kühlwasser sowie Brauch- und Trinkwasser mit einem SPS-Schaltkasten zu verbinden, der die Daten digitalisiert und über das Fasernetzwerk des Campus‘ an das Archiv sendet. Im Zuge dieses umfassenden Prozesses musste festgelegt werden, was mit den gesammelten Daten geschehen sollte und wie man sicherstellen konnte, dass alle Zähler ordnungsgemäß funktionieren. Außerdem mussten sicherheitsrelevante Punkte beachtet werden, um zu gewährleisten, dass das Kontrollsystemnetzwerk von dem öffentlichen Netzwerk getrennt blieb und die Daten beider Netzwerke sicher verwahrt wurden.
 
„Im Laufe dieser Arbeiten entdeckten wir, wie flexibel InduSoft Web Studio ist“, so Geschäftsführer Juan Ontiveros. „Die Leistungsstärke und die Flexibilität, die in der Anwendung steckt sowie der Kostenvorteil haben uns überzeugt. Bei InduSoft Web Studio hatten wir auch ein gutes Gefühl im Hinblick auf unser Ziel, das System um automatisierte Zähler zu erweitern.“
 
„Wir schauten uns mehrere Programme an, die uns vorgestellt wurden. Sie stellten sich allerdings als zu kostenintensiv heraus und konnten nicht auf unsere individuellen Bedürfnisse zugeschnitten werden. Da wir ein Forschungsinstitut sind, hat es für uns auch durchaus Sinn gemacht, die Lernlizenzen von InduSoft nutzen zu können. Mit ihnen und der damit verbundenen Entwicklung der finalen Anwendung, sind unsere Geldmittel gut angelegt. Das Engineering Team von InduSoft Engineering steht uns mit Rat und Tat zur Seite, wenn es um das Design und den Bau der Anwendung geht.“

 


Abb. 3: InduSoft Runtime Server und Kepware OPC Server

 

 

Die Lösung

InduSoft Web Studio wird auf dem gesamten Campus zu Messzwecken genutzt. Historische Daten werden über den GE iHistorian abgerufen, mit dem der voraussichtliche Energieverbrauch berechnet, präventive Wartungsarbeiten durchgeführt sowie Berichte und Rechnungen für alle Campusgebäude erstellt werden können. Die Anwendung verwendet Thin Clients über Internet Explorer. Nutzer können die gemessenen Energiedaten jedes einzelnen Gebäudes auf dem Campus abrufen, autorisierte Nutzer haben sogar die Möglichkeit, sich über VPN zu verbinden und überall auf der Welt auf diese Daten zuzugreifen.
 
Die Anwendung wird von Kepware OPC UA Servern gestützt, die die überwachten SPS auf dem gesamten Campus miteinander verbindet. OPC UA diente dazu, die bereits bestehenden Sicherheitsfeatures des Protokolls zu nutzen. Sicherheit war bei der Entwicklung der InduSoft-Anwendung eines der wichtigsten Themen, als es darum ging, sie für Thin Clients webbasierend zu gestalten. Die Sicherheitsaspekte der unterschiedlichen Systeme werden kontinuierlich überwacht und aufgerüstet.
 
Eine Firewall dient als Schnittstelle zu den webbasierten Thin Clients der Anwendung und zur Abtrennung des Kontrollsystemsubnetzes vom restlichen Netzwerk der Anlage. Zusätzliche Schutzeinrichtungen dienen der Überwachung der Funktionstüchtigkeit der Firewalls innerhalb der Anlage und des Kontrollsystemnetzwerks.

 

 

Das Ergebnis

„Als wir anfingen, mit der Anwendung von InduSoft zur Datensammlung und Rechnungsstellung zu arbeiten, wurde uns schlagartig bewusst, dass wir im Vergleich zu unserem manuellen Vorgänger-System Kostenersparnisse in astronomischer Höhe verzeichnen würden. Nicht zu vergessen die Tatsache, dass die Daten sofort zur Verfügung stehen. Mit InduSoft Web Studio wollen wir in Zukunft Studio Mobile Access verwenden und smarte Endgeräte einsetzen“, erklärt Ontiveros.

Vor der Implementierung der Lösung von InduSoft, hinkte die Verwaltungsabteilung immer einen Monat oder mehr bei der Rechnungsstellung hinterher, da das Erstellen jeder einzelnen Rechnung mit einem enormen Aufwand verbunden war. Der Großteil der Kostenersparnis kam dadurch zustande, dass Arbeitskräfte für das Ablesen der Zähler eingespart, Daten abgefragt und zusammengeführt und den Gebäuden die notwendige Energie zugeteilt werden kann. Die validierten Messdaten werden anschließend in ein Rechnungssystem eingespeist, um anhand des Verbrauchs die entsprechende Rechnung zu erstellen. Vor Einführung des neuen Systems war es nicht möglich, eine Nutzungshistorie vorheriger Rechnungszyklen zu erstellen, da deren manuelle Erstellung viel zu kostspielig und zeitintensiv ausfiel.

 


Abb. 4: Typischer Thin Client                                                               Abb. 5: Vorschaubericht für Wasserverbrauch


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