Managementul energiei: modulul HEMS integrat în casa VIKI

În condițiile unui impact climatic din ce în ce mai dur al emisiilor generate de energia produsă din combustibili fosili, în viitorul apropiat fiecare casă va trebui să își gestioneze resursele și consumul de energie în mod inteligent. De la această premisă am pornit cu echipa VIKI în dezvoltarea modulului la care lucrăm în prezent, respectiv un algoritm pentru managementul producătorilor de energie și al consumatorilor, într-o casă smart.

Întrebarea la care dorim să răspundem este: cum facem ca energia să fie consumată într-un mod cât mai inteligent, la costuri cât mai reduse pentru utilizator?

Am vorbit deja într-un articol anterior despre creșterea eficienței energetice în locuințe, prin folosirea sistemelor de ventilare cu recuperare de căldură, care aduc economii semnificative la energia consumată de instalația termică și de aerul condiţionat. (Poți citi articolul aici.) Studiile de specialitate ne spun că aproximativ 64% până la 74% din energia rezidențială totală este consumată de sistemele de încălzire/răcire (HVAC).

Însă nu doar HVAC trebuie optimizat, ci toți consumatorii de energie din casă trebuie să fie incluși în planul de minimizare a costurilor, iar aici vorbim despre conceptul HEMS – Home Energy Management System, nelipsit din casele autosustenabile pe care le gândim pentru viitor.

Conceptul HEMS – Home Energy Management System include atât partea hardware, cât și partea software, acestea permițând utilizatorului să monitorizeze consumul de energie, dar și producția (acolo unde există), respectiv să controleze, manual sau automat, consumul de energie din locuință.

Pentru a dezvolta acest sistem, echipamentele casei vor fi împărțite în categorii, de exemplu în consumatori care pot fi întrerupți și care nu pot fi întrerupți, sau consumatori programabili în funcționare, respectiv neprogramabili.

O schemă a modului de conectare și control al echipamentelor dintr-un sistem HEMS a fost descrisă de Zhou, Bin & Li, în ”Smart home energy management systems: Concept, configurations, and scheduling strategies”:

Algoritmul la care lucrăm cu echipa VIKI urmărește optimizarea costurilor cu energia electrică prin programarea eficientă a echipamentelor a căror funcționare poate fi întreruptă și/sau întârziată fără a compromite nivelul de confort necesar/acceptat de utilizatori acestora. Ținem cont în dezvoltarea noastră de conceptul de Smart Grid, care implementează facilitatea de Demand Response (furnizorii pot solicita consumatorilor să-și reducă consumul de energie la o anumită limită și pe un anumit interval de timp), dar și de diversele scheme de tarifare pentru energie care sunt deja în vigoare în economiile dezvoltate ale lumii sau cele care sunt propuse pentru implementare în viitorul apropiat:

  • Prețul în timp real (Real-time pricing RTP), cunoscut și sub denumirea de preț dinamic, reprezintă o schemă de taxare utilizată de furnizorul de energie electrică în care taxa pe kWh variază în fiecare oră, în funcție de costurile de producție în timp real ale furnizorului.
  • Prețul în funcție de timpul de utilizare (Time-of-use pricing TOU) este o schemă de taxare care se aplică de obicei pe blocuri extinse de ore (de exemplu: la vârf = 6 ore pentru după-amiaza zilei de vara, în afara vârfului = toate celelalte ore din lunile de vară) unde prețul pentru fiecare perioadă este predeterminat și constant.
  • Cost la depășirea limitei (Inclining Block Rate) reprezintă o schemă de taxare prin care furnizorul de energie electrică percepe o rată mai mare pentru fiecare bloc incremental de consum de energie electrică.

    În analiza noastră am conștientizat problema și din punct de vedere al furnizorului de energie, sistemele de distribuție a energiei electrice urmărind micșorarea valorii PAR  (Peak-to-Average Ratio) – raportul vârf la medie reprezintă raportul dintre cea mai mare valoare a unei cantități și valoarea medie a acesteia. Reducerea acestuia are ca efect reducerea risipei de energie și creșterea stabilității rețelei.

    În aceste condiții devine tot mai dificilă sarcina gestionării consumului, chiar dacă vorbim de o rețea casnică cu mai puține echipamente.

    În sistemele Time-of-use pricing TOU se mai poate pune problema ca utilizatorii să gestioneze manual consumul de energie, dar utilizatorii nu acordă suficientă atenție acestui aspect, din lipsă de timp, cunoștințe sau pur și simplu atenție, în ceea ce privește Real-time pricing RTP și Inclining Block Rate respectiv PAR nu se mai poate pune problema ca utilizatorii să gestioneze manual consumul de energie, aceștia neputând să reacționeze în timp util.

    Astfel că se impun sisteme automate de gestiune a energiei electrice (Energy Management Systems EMS) capabile să reacționeze și să modifice tiparele de consum utilizând tehnici de optimizare și programare a consumului.

    Scopul dezvoltării modulului HEMS în VIKI este acela de a gestiona automat toate aceste scheme de consum ale energiei și echipamente din casă, astfel încât ele să funcționeze la momentul oportun, ținta fiind reducerea consumului de energie, în general și/sau la cerere, cu menținerea nivelului de confort la nivelul necesar/acceptat de utilizatori. De asemenea, include utilizarea eficientă a eventualelor surse de energie regenerabilă, respectiv a mediilor de stocare a energiei disponibile.

    Această etapă de dezvoltare a sistemului VIKI este realizată în parteneriat cu Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca (UTCN), în cadrul proiectului „Managementul energiei electrice într-o rețea cu surse regenerabile”, propus de UTCN și susținut de Fondul European de Dezvoltare Regională. Proiectul MICROINV cuprinde cercetări în dezvoltarea de algoritmi de management al energiei pentru eficientizarea sistemului, respectiv maximizarea consumului de energie din surse regenerabile.

    Proiectul este cofinanţat din Fondul European de Dezvoltare Regională prin Programul Operaţional Competitivitate 2014-2020.

    Citește aici un articol despre monitorizarea energiei electrice cu VIKI

    Vezi aici cum economisește casa VIKI energie