Open-Source-Plattform für Energiesysteme

Die Transformation von zentralen zu dezentralen Energiesystemen stellt eine der zentralen Herausforderungen der Energiewende dar. Diese Entwicklung erfordert insbesondere im Gebäudesektor innovative digitale Lösungen, die eine effiziente Integration und Steuerung verschiedener energietechnischer Komponenten ermöglichen. Mit der zunehmenden Anzahl von Sensoren und Aktoren in modernen Energiesystemen wächst auch die Notwendigkeit, diese Geräte in eine gemeinsame Plattform zu integrieren, die eine effiziente Datenverarbeitung und -nutzung ermöglicht.

IoT-Plattformen für Gebäude- und Quartiersenergiesysteme

Die Integration von volatilen, dezentralen Energiequellen in Gebäude- und Quartiers­energiesysteme erfordert intelligente Algorithmen, die in der Lage sind, die gestiegene Komplexität und die Interaktionen von Teilsystemen effizient zu steuern. Dafür wird nicht nur Rechenkapazität benötigt, sondern auch eine geeignete Informations- und Kommunikationsinfrastruktur. Cloud Computing bietet hier die Möglichkeit, Rechenleistung nach Bedarf bereitzustellen, entweder als selbst gehostete oder als Drittanbieterlösung. Zusammen mit einer erweiterten Konnektivität physischer Geräte bildet dies das Internet of Things (IoT).

Heute sind viele kommerzielle IoT-Plattformen verfügbar, darunter bekannte Produkte wie Amazons AWS IoT und Microsofts Azure IoT. Eine Alternative zu diesen proprietären Lösungen bietet Fiware, eine offene Plattform, die quelloffene Komponenten und Standards bereitstellt, mit denen Benutzer intelligente Softwarelösungen erstellen können.

Architektur der Fiware-basierten IoT-Plattform

Grundlegende Komponenten und Architektur

Die entwickelte IoT-Plattform basiert auf dem Fiware-Framework und nutzt eine Reihe von Open-Source-Komponenten, die zu einer umfassenden Lösung integriert wurden. Die Plattform folgt einer modularen Struktur, die es ermöglicht, verschiedene Komponenten je nach Anwendungsfall hinzuzufügen oder zu entfernen. Die grundlegenden Funktionalitäten dieser Plattform sind:

1. Datenerfassung und -verwaltung: Die Plattform ist in der Lage, Daten von verschiedenen Sensoren und Geräten sowie mit unterschiedlichen Kommunikationsprotokollen zu erfassen und zu verwalten.
2. Datenspeicherung: Die erfassten Daten werden sicher und effizient gespeichert.
3. Datenverarbeitung: Die Plattform bietet Funktionen zur Verarbeitung und Analyse der Daten.
4. Datennutzung: Die Plattform stellt die Daten durch standardisierte Schnittstellen zur Verfügung.
5. Sicherheit: Die Plattform gewährleistet eine sichere Kommunikation und Zugriffskontrolle.

Die Architektur der Plattform: Zusammenspiel der Kernkomponenten

Die Plattform basiert auf einer in Abb. 1 dargestellten modularen Architektur, bei der verschiedene Komponenten für spezifische Aufgaben zuständig sind und über standardisierte Schnittstellen miteinander kommunizieren.

Im Zentrum der Architektur steht ein Kontextmanager (in Fiware als „Context Broker“ bezeichnet), der für die Verwaltung der aktuellen Zustände aller angebundenen Entitäten verantwortlich ist. Diese Komponente speichert den aktuellen Kontext der überwachten Systeme – beispielsweise den Betriebszustand technischer Anlagen, aktuelle Messwerte oder Statusinformationen. Der Kontextmanager stellt standardisierte Programmierschnittstellen (APIs) bereit, über die andere Anwendungen auf diese Informationen zugreifen oder sie aktualisieren können. Die Kontextdaten selbst werden in einer NoSQL-Datenbank gespeichert, die für hohe Flexibilität und schnelle Zugriffe optimiert ist.

Da der Kontextmanager primär für die Verwaltung des aktuellen Systemzustands konzipiert ist, wird für die persistente Speicherung von Zeitreihendaten eine separate Komponente eingesetzt. Diese abonniert relevante Zustandsänderungen beim Kontextmanager und speichert sie chronologisch in einer für Zeitreihendaten optimierten Datenbank. Dies ermöglicht retrospektive Analysen, die Erkennung von Trends und die Visualisierung historischer Verläufe – essenzielle Funktionen für ein effektives Energiemonitoring und -management.

Für die Anbindung heterogener Geräte an die Plattform dienen IoT-Agenten. Diese Komponenten fungieren als Protokoll-Übersetzer, die gerätespezifische Kommunika­tionsprotokolle in das standardisierte Da­­ten­format der Plattform konvertieren. Die IoT-Agenten unterstützen verschiedene Protokolle wie JSON, Ultralight oder MQTT, wodurch eine breite Palette von Sensoren und Aktoren integriert werden kann. Diese Abstraktionsschicht ermöglicht es, dass die Plattform unabhängig von den spezifischen Protokollen der angebundenen Geräte arbeiten kann.

Die Kommunikation zwischen Geräten und IoT-Agenten erfolgt entweder direkt über HTTP oder über einen MQTT-Broker, der als Vermittler für asynchrone Nachrichtenübermittlung dient. MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) ist ein leichtgewichtiges Kommunikationsprotokoll, das besonders für ressourcenbeschränkte Geräte und Netzwerke mit begrenzter Bandbreite geeignet ist. Die Komponenten der Plattform sind in Containern implementiert und können mittels Container-Orchestrierungstechnologien wie Docker Swarm oder Kubernetes verwaltet werden. Dieser Ansatz bietet Vorteile hinsichtlich Skalierbarkeit, Ressourceneffizienz und Wartbarkeit der Infrastruktur.

Integriertes Sicherheitskonzept

Ein wesentlicher Aspekt der Plattformarchitektur ist das umfassende Sicherheitskonzept, das verschiedene Mechanismen zur Gewährleistung von Vertraulichkeit, Authentizität und Integrität der Daten implementiert:

• Identity and Access Management (IAM): Die Plattform implementiert ein zentrales IAM-System, das moderne Standards für Authentifizierung (Open­ID Connect) und Autorisierung (OAuth 2.0) unterstützt. Dieses System verwaltet Benutzeridentitäten, Berechtigungen und Zugriffsrechte für alle Komponenten der Plattform.
• Transportverschlüsselung: Sämtliche Kommunikation innerhalb der Plattform sowie zwischen Plattform und externen Systemen erfolgt TLS-verschlüsselt (Transport Layer Security), um die Vertraulichkeit und Integrität der übertragenen Daten zu gewährleisten.
• Policy Enforcement Point (PEP): Ein dedizierter PEP-Proxy überwacht den Zugriff auf die Plattform-APIs. Diese Komponente validiert Authentifizierungstoken, prüft Zugriffsrechte und implementiert das Prinzip der geringsten Berechtigung, wodurch unbefugter Zugriff auf sensible Funktionen und Daten verhindert wird.
• Abgesicherte Protokollendpunkte: Der MQTT-Broker ist mit Authentifizierungs- und Autorisierungsmechanismen ausgestattet, die sicherstellen, dass nur autorisierte Clients Verbindungen herstellen und nur auf die für sie freigegebenen Nachrichtenkanäle (Topics) zugreifen können.

Entirety: Semantische Bereitstellung und Verwaltung von IoT-Geräten

Die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit von Fiware stellt einen signifikanten Vorteil dar, bringt jedoch gleichzeitig eine erhöhte Komplexität mit sich. Insbesondere die Integration und Verwaltung von IoT-Geräten erfordert oftmals tiefergehende Kenntnisse der zugrundeliegenden Datenmodelle und Plattformarchitektur. Um diese Komplexität zu abstrahieren und den Provisionierungsprozess zu vereinfachen, wurde die Webapplikation Entirety entwickelt.

Entirety (sEmanNTIc pRovisioning and govErning ioT devices in smart energy domain) implementiert eine intuitive Benutzeroberfläche (Abb. 2), die eine konsistente Geräteverwaltung auch für Anwender ohne umfassende IT-Expertise ermöglicht. Die Anwendung fungiert als semantische Abstraktionsschicht zwischen der technischen Implementierung der Fiware-Plattform und den domänenspezifischen Anforderungen der Anwender im Energiesektor.

Das zentrale Dashboard der Anwendung bietet eine konsolidierte Übersicht über den Betriebsstatus der Plattformkomponenten sowie eine aggregierte Darstellung aller registrierten Geräte und Services. Diese Visualisierung ermöglicht ein effizientes Monitoring der Systemlandschaft ohne detaillierte Kenntnis der dahinterliegenden Infrastruktur.

Ein wesentliches Funktionsmerkmal von Entirety ist die Template-basierte Geräteprovisionierung. Basierend auf nutzerdefinierten oder vorhandenen Datenmodellen, beispielweise Smart Data Models von Fiware, generiert die Anwendung automatisch kontextsensitive Webformulare, die auf den jeweiligen Gerätetyp zugeschnitten sind. Anwender können dadurch neue Geräte in der Plattform registrieren, ohne sich mit den komplexen Datenstrukturen und API-Aufrufen der Fiware-Komponenten auseinandersetzen zu müssen. Im Hintergrund übersetzt Entirety die eingegebenen Informationen in die erforderlichen Datenformate und orchestriert die Registrierung in allen relevanten Systemkomponenten wie IoT-Agenten, Kontextmanager und Identitätsverwaltung.

Für die Verwaltung bestehender Geräte stellt Entirety eine tabellarische als auch grafische semantische Übersicht bereit, die effiziente Bearbeitungs- und Löschoperationen ermöglicht. Diese strukturierte Darstellung vereinfacht die Systemadministration und reduziert die Komplexität der Geräteverwaltung erheblich.

Der praktische Nutzen dieser Abstraktionsschicht wird am Beispiel der Integration eines neuen Temperatursensors deutlich: Ohne Entirety erfordert dieser Prozess umfassende Kenntnisse der Sensorspezifikationen, der korrekten Datenmodellierung in Fiware sowie der notwendigen API-Aufrufe zur Geräteregistrierung. Mit Entirety reduziert sich dieser Prozess auf die Auswahl des entsprechenden Sensortyps und die Eingabe grundlegender Konfigurationsparameter wie Standort und Messbereich in ein strukturiertes Formular. Die Anwendung übernimmt die komplexe Orchestrierung der Hintergrundsysteme automatisch.

Diese Vereinfachung macht Entirety zu einem wertvollen Werkzeug insbesondere für domänenspezifische Experten wie Facility Manager, Gebäudetechniker und Energiemanager, die zwar über fundiertes Fachwissen in ihrem Bereich, jedoch nicht zwangsläufig über tiefgreifende IT-Kenntnisse verfügen.

Filip: Python-Framework für Fiware-Applikationsentwicklung

Während Entirety primär auf die Vereinfachung der Geräteverwaltung für Endanwender abzielt, adressiert Filip (Fiware Library for Python) die Herausforderungen der Anwendungsentwicklung für die Fiware-Plattform. Diese Python-Bibliothek fungiert als Software Development Kit (SDK) und beschleunigt die Entwicklung von Services und Anwendungen, die mit den Komponenten der Fiware-Plattform interagieren.

Filip abstrahiert die Komplexität der Fiware-APIs und bietet eine intuitive, objektorientierte Programmierschnittstelle. Die Bibliothek implementiert spezialisierte Client-Klassen für die zentralen Plattformkomponenten wie den Context Broker für das Datenmanagement, IoT-Agenten für die Gerätekommunikation und die Zeitreihendatenbank für die historische Datenspeicherung. Die Interaktionen mit den API-Endpunkten werden als Methoden dieser Client-Klassen implementiert, wodurch Entwickler direkt mit den funktionalen Abstraktionen arbeiten können, ohne sich mit den Details der HTTP-Requests und Datenstrukturen auseinandersetzen zu müssen.

Ein wesentlicher Mehrwert von Filip liegt in der robusten Implementierung von Datenvalidierung und -transformation. Die Bibliothek verwendet strukturierte Datenmodelle zur Repräsentation der Informationsstrukturen und implementiert erweiterte Validierungsfunktionen. Diese Validierungsmechanismen stellen sicher, dass die übermittelten Daten den Anforderungen der Plattform-APIs entsprechen und reduzieren so Entwicklungsfehler signifikant.

Durch die Abstraktion der technischen Details ermöglicht Filip Entwicklern, sich auf die eigentliche Anwendungslogik zu konzentrieren. Häufige Operationen wie das Abrufen von Sensordaten oder das Senden von Steuerungsbefehlen können mit wenigen Codezeilen realisiert werden, was die Entwicklungsgeschwindigkeit und Codequalität signifikant erhöht.

IoT-basierte Betriebsoptimierung für nachhaltige Gebäudeenergiesysteme

Im vom BMWE geförderten Forschungsprojekt „Booster“ (IoT-Based Operational Optimization for SusTainable EneRgy systems, FKZ 03EN1058A/B) wurde zusammen mit dem Projektpartner Drees & Sommer die N5GEH-Plattform erfolgreich zur Optimierung komplexer Gebäudeenergiean­lagen eingesetzt. Das Demonstrationsobjekt, ein revitalisiertes Industriegebäude aus dem Jahr 1955 im Neckarspinnerei-­Quartier bei Stuttgart, repräsentiert typische Herausforderungen von Bestandsgebäuden: heterogene Anlagentechnik, begrenzte Dokumentation und diverse Kommunikationsschnittstellen.

Die energietechnische Ausgangssitu­ation war durch ein bivalentes Heizungs­system mit Wärmepumpen und Gasbrennwertkessel gekennzeichnet, dessen Steuerung lediglich zeit- und außentemperaturgeführt erfolgte. Die Raumtempera­turregelung basierte auf manuellen Thermostatventilen ohne zentrale Steuerungsmöglichkeit.

Zur Implementierung einer intelligenten Steuerung wurde die bestehende Anlagentechnik mit über 90 IoT-Sensoren und Aktoren nachgerüstet und mittels Edge-Computing-Komponenten in die N5GEH-Plattform integriert. Eine zentrale Herausforderung bestand in der Integration der verschiedenen Kommunikationsprotokolle. Hierzu wurde eine modulare Edge-Software entwickelt, die als Middleware zwischen den Feldbus-Protokollen und der IoT-Plattform fungiert. Zur semantischen Integration der diversen Gebäudekomponenten wurden standardisierte Datenmodelle entwickelt, die mit anderen Projektpartnern harmonisiert wurden.

Auf Basis der konsolidierten Betriebsdaten wurden verschiedene Optimierungs­services implementiert. Besonders hervorzuheben ist die Entwicklung einer modellprädiktiven Regelung für die Raum­temperaturregelung, die thermische Gebäudemodelle mit Wetterprognosen und Nutzungsprofilen kombiniert. Dieser Ansatz nutzt vereinfachte physikalische Modelle in Kombination mit datenbasierten Methoden und ermöglicht eine vorausschauende Betriebsoptimierung.

Die implementierte Lösung demonstrierte das erhebliche Effizienzpotenzial der intelligenten Vernetzung. Weitere realisierte Mehrwerte umfassen erhöhte Betriebstransparenz, präventive Instandhaltung und verbesserte Energieflexibilität.

Weitere Anwendungsdomänen der IoT-Plattform

Die N5GEH-Plattform wurde zudem erfolgreich in weiteren energietechnischen An­­wendungsdomänen implementiert. In der Optimierung von Fernwärmesystemen er­möglicht sie die systematische Digitalisierung und Integration intelligenter Hausstationen und Netzknoten mit verschiedenen Messsystemen. Die konsolidierten Daten bilden die Grundlage für Analysefunktionen wie die Identifikation ineffizienter Komponenten und die Modellierung des Abnehmerverhaltens. Durch präzise Netzzustandserfassung können Vorlauftemperaturen ohne Versorgungsbeeinträchtigungen gesenkt werden, was Wärmeverluste reduziert und die Integration erneuerbarer Energien fördert.

Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Verknüpfung dezentraler Energieressourcen in virtuellen Energiesystemen, wo verschiedene Erzeuger, Speicher und flexible Verbraucher als koordinierte Einheit betrieben werden können. Die Plattform unterstützt auch die Integration von Elektrofahrzeug-Ladeinfrastruktur mit intelligenter Ladesteuerung zur Lastspitzenvermeidung.

Die Erkenntnisse aus den verschiedenen Anwendungen fließen in die kontinuierliche Plattformentwicklung ein. Die standardisierten Schnittstellen und semantischen Datenmodelle erleichtern die Übertragbarkeit der Lösungen auf neue Anwendungsfälle und fördern die Implementierung digitaler Technologien im Energiesektor.

Zusammenfassung und Ausblick

Die vorgestellte Fiware-basierte N5GEH-­Plattform bietet eine solide Grundlage für die Entwicklung von Energiemanagementsystemen auf Basis offener Standards. Die technische Umsetzung basiert vollständig auf Open-Source-Software, wobei alle Komponenten containerisiert und mittels moderner Orchestrierungswerkzeuge verwaltet werden. Dieser Ansatz bietet wesentliche Vorteile hinsichtlich Skalierbarkeit, Flexibilität, Portabilität und Wartbarkeit.

Ein besonderer Mehrwert liegt in der Kosteneffizienz, die durch die Nutzung von Open-Source-Software und standardisierter Hardware erreicht wird. Dies senkt die Einstiegshürde für kleinere und mittlere Unternehmen und fördert die breite Adoption digitaler Lösungen im Energiesektor.

Die erfolgreichen Anwendungsbeispiele aus verschiedenen Domänen demonstrieren die Vielseitigkeit und Praxistauglichkeit der Plattform. Die Implementierung in realen Umgebungen – von der Gebäudeenergieoptimierung über die Fernwärmesteuerung bis zur Integration erneuerbarer Energien – belegt die Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit der entwickelten Lösungen auch unter unterschiedlichen Bedingungen.

Zukünftige Entwicklungen werden sich auf mehrere Schwerpunkte konzentrieren: Die weitere Vereinfachung der Geräteintegration durch automatisierte Provisionierungswerkzeuge, die Anreicherung der Datenmodelle mit semantischen Informationen zur Verbesserung der Interoperabilität sowie die Implementierung fortschrittlicher Steuerungsalgorithmen. Besonderes Potenzial liegt in der Integration von Methoden des maschinellen Lernens aber auch Ansätzen des kontrollierten Teilens von Daten aus der Plattform.

Die Kombination aus standardisierten, offenen Schnittstellen, modularer Architektur und benutzerfreundlichen Werkzeugen macht die N5GEH-Plattform zu einer zukunftsfähigen Lösung für die digitale Transformation im Energiesektor. Der gesamte Quellcode, alle Beispielimplementierungen und Tutorials sowie die erforderlichen Setup-Dateien sind öffentlich auf GitHub verfügbar. Dies fördert die transparente Weiterentwicklung und ermöglicht Interessierten einen niedrigschwelligen Einstieg in die Nutzung und Erweiterung der Plattform.

Danksagung

Wir bedanken uns für die finanzielle Unterstützung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWE) unter dem Förderkennzeichen 03EN1030B. Danken möchten wir auch unseren Projektpartnern Technische Universität Dresden / Institut für Energietechnik, Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung für die Zusammenarbeit.

Von Rita Streblow, Junsong Du und Dirk Müller