OpenNanoGrid

OpenNanoGrid

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  OpenNanoGrid Backplane

Das Projekt OpenNanoGrid beschäftigt sich mit der Entwicklung, Implementierung und experimenteller Erprobung eines dezentralen DC-Niedervolt-Hausversorgungssystems auf OpenHardware-Basis (https://wiki.opensourceecology.de/SolarBox#OpenNanoGrid).

Darin können einerseits mehrere Stromquellen wie Photovoltaik-Anlagen oder Solarspeicher und andererseits eine große Auswahl verschiedener Verbraucher dezentral in das System eingegliedert und vernetzt werden.

Ein derartiges lokales Gleichstrom-Netz ist insbesondere ideal für solche Verbraucher bzw. Geräte, welche intern ohnehin schon auf Gleichstrom laufen und ansonsten durch einen zusätzlichen Adapter an das häusliche 230V-Wechselstromnetz angeschlossen werden (aber zB. auch sowas wie Raum-Beleuchtung). Solche Adapter und die damit verbundenen Umwandlungsverluste können somit durch einen direkten Anschluss an das OpenNanoGrid eingespart werden sowie auch die entfallenden Umwandlungsverluste von Solarstrom durch einen Inverter.

Desweiteren erlaubt die definierte Bus-Spannung von 48V und auf den Power-Leitungen eine aktive Anpassung (per Wandler) der einzelnen Komponenten daran ein intelligentes Ressourcenmanagement (https://github.com/LibreSolar/thingset).

Während bereits verschiedene Einzelkomponenten wie Steuerung, BMS (Batterie-Management-System), Laderegler usw. in einzelnen OpenHardware-Projekten entwickelt wurden (und werden, siehe zB. https://wiki.opensourceecology.de/LibreSolar_BMS) geht es nun konkret darum, ein solches OpenNanoGrid auch physisch zu implementieren und die bisher verfügbaren Komponenten und weitere zu einem lokalen live-Grid zusammenzuführen.

Das bedeutet in dieser Entwicklungs-Phase vor allem den Aufbau eines „Backbones“ und einer „Backplane“. Unter letzterer verstehen wir im OpenNanoGrid-Kontext so etwas wie einen großen (oder auch mehrere kleinere) Solarspeicher, welcher es ermöglicht eine Anzahl von Stromgeneratoren (also etwa eine oder mehrere Photovoltaik-Anlagen) zu integrieren und deren Stromzufuhr auf sich zu vereinigen.

Der „Backbone“ bezeichnet hingegen das „Rückgrat“ des Kabelbaums, welcher einen lokalen Standort durchzieht und von welchem abzweigende Stränge einzelne Outlets (also zB. DC-Wandsteckdosen oder auch die Beleuchtung eines Raumes versorgen.

Im Grunde handelt es sich dabei also um ein Leitungssystem, welches ggflls. parallel zu einem ev. vorhandenen 230V-AC-Netz verläuft aber nicht zwingend damit verbunden sein muss.

D.h., der über die direkte Nutzung von Solarstrom sowie dessen Speicherung in der Backplane deutlich erhöhte Eigenverbrauch erhöht in gleichem Verhältniss auch den prozentualen Autarkie-Grad (d.h., den Anteil an selbsterzeugtem Strom gegenüber von aussen zugeführtem Netzstrom). Ein OpenNanoGrid kann also ideal auch als Insel-Anlage betrieben werden.

Das Projekt ist entstanden durch die langjährige Zusammenarbeit zwischen OSEG, LibreSolar und der Arbeitsgruppe cos(h) der HAW Hamburg und beschreibt die logische Weiterentwicklung der gemeinsam entwickelten LibreSolarBoxen (https://wiki.opensourceecology.de/SolarBox) zu einem größeren, stationären Standortnetzwerk .

Die quelloffenen Dateien zu diesem Projekt sind zu finden unter https://gitlab.opensourceecology.de/opennanogrid/opennanogrid-main .

Referenz-Implementierung im OpenEcoLab2

Die vorliegende Dokumentation beschreibt die (erste) Referenz-Implementierung des OpenNanoGrids im OpenEcoLab2 in Rahden (einem Forschungs- u. Entwicklungs-Standort sowie Reallabor vom OpenSourceEcology e.V., für Unterbringung u. Aufenthalte von Projekt-Entwicklern zur vertieften gemeinsamen Projektarbeit).

Sie ist auf die örtlichen Gegebenheiten ausgelegt aber kann als Fallbeispiel für andere stationäre Hausversorgungen auf OpenNanoGrid-Basis dienen, weil hier bereits alle wichtigen Grundelemente zum Einsatz kommen.

Die Versorgungsbereiche

Die erzeugten Strommengen werden ausschliesslich für OSEG-Projekte verwendet und versorgen daher räumliche Bereiche im OpenEcoLab2, in welchen Vereinstätigkeiten wie Forschung, Entwicklung und Bildungsangebote stattfinden:

- Das Seminarhaus: Hier finden öffentliche OSEG-Workshops statt sowie Seminare, Forschung u. Weiterentwicklung einzelner OpenHardware-Projekte und es gibt zwei Gästezimmer für Dozenten u. Seminarteilnehmer sowie einen Raum für 3D-Drucker.

- Die Kulturräume: Dabei handelt es sich um klimatisierte Kulturräume welche für ganzjährige Indoor-Projekte wie Hydroponik, UrbanFarming und Jungpflanzenanzucht verwendet werden. Dieser Bereich wird bereits komplett durch das OpenNanoGrid versorgt und ist somit autark.

- Der Werkstatt-Bereich: Hier stellt das OpenNanoGrid nur einen von mehreren Netz-Arten bereit; die anderen beiden sind 230V AC und 380V Drehstrom zur Versorgung größerer Maschinen. Der Gleichstromanschluss kann aber hier bereits sehr gut für die Raum-Beleuchtung genutzt werden, sowie für kleinere (modfizierte) Powertools und CNC-Geräte.

- Das Elektronik-Labor: Ausser Beleuchtung und diversen elektronischen Geräten werden hier auch Komponenten der digitalen Kommunikations-Infrastruktur versorgt, wie zB. Datenbank-Server zur Sammlung von Mess-Daten sowie PC-Arbeitsplätze.

SolarGeneratoren

In der aktuellen Version beinhaltet dies 5 Solarkollektor-Flächen bzw. SolarGeneratoren, davon 2 mit jeweils 1.5 KWp, eine mit 1.0 KWp, eine mit 600 Wp und eine mit 400 Wp, was in Summe 5 KWp ausmacht. Die ersten drei versorgen als Hauptgeneratoren direkt die Backplane, die anderen beiden dienen zur Versorgung von lokalen Subnetzen, etwa bei Einbindung einer LibreSolarBox. Insgesamt ergibt sich somit eine Solarpanel-Leistung von 5 KWp, die mehr als ausreichend ist, um den Solarspeicher (mit 10,5 KWh) binnen 3 bis 4 Stunden komplett aufzuladen.

Die drei Hauptgeneratoren sind auf dem Dach montiert und haben eine West-Ost-Ausrichtung; die beiden kleineren sind aufgeständert und haben Süd-Ausrichtung. Damit sind pro Jahr mindestens 4500 KWh an Ertrag zu erwarten.

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  Die Hauptgeneratoren 1 und 2 mit jeweils 1,5 KWp. Pro Generator 6 Panels zu 250 Wp, welche in zwei 3er-Strings verschaltet sind.

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  Der Hauptgeneratoren 3 mit 1,0 KWp; bestehend aus 4 Panels zu 250 Wp, welcher in zwei 2er-Strings verschaltet ist.

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  SolarGenerator4 mit 600Wp; bestehend aus 6 Panels zu 100 Wp die alle parallel verschaltet sind (12V).

Generator-Anschlusskästen

Generator-Anschlusskästen (GAK) mit Überspannungsschutz u. Erdung Für die 3 Hauptgeneratoren, weitere können jederzeit ergänzt werden. Dazu wurde für das OpenNanoGrid ein separater Potentialausgleich mittels eines Staberders installiert, d.h., es ist somit nicht über die Potentialausgleichsschiene des Haus geerdet sondern hat seine eigene. Ausserdem sollten die Kästen möglichst nahe beim Solargenerator positioniert werden.

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  Die GAKs enthalten jeweils eine Zuleitungen von den Generatoren, eine Verbindung zum Erdpotential und eine Fortleitung zur Backplane

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  Für plus und minus wurden 6mm² MC4-Kabel verwendet, für die Erdleitung (gelbgrün) 16mm²

Die Backplane

Aufbau der Backplane

Backplane mit MPPTs und Speicherakku incl. BMS: Für die Backplane in dieser Dimensionierung wurde ein eigenes Rack konstruiert auf Basis des OpenHardware Baukstensystems „UniProKit“. Es ergibt sich dadurch ein unterer Bereich mit Einschüben für die Pylontech Akku-Module und ein oberer Bereich mit den Steuerungs-Komponenten. Dieser beinhaltet auf der Vorderseite die eigentliche Backplane-Schiene, also die Sammelschiene mit allen Zu- und Ableitungen, die Eingangs-Sicherungen und die Zentralsteuerung- u. Daten-Sammelstelle. Letztere ist über einen ve.direct-Bus mit den MPPTs auf der Rückseite verbunden, welche abgesichert die Sammelschiene mit solarem Strom versorgen, ab hier bei einer Spannung von nominell 48V und max. 216 A.

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  Vorderseite, mit Sammelschiene, Batterieschalter, Zentralsteuerung mit Touchscreen, MPPT-Zuleitungen, Backbone-Fortleitungen und drei Akku-Module Pylontech US3000C

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  Drei MPPTs, Sicherungen

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  Cerbo-GX Zentralsteuerung mit Touchscreen als direktes User-Interface (kann auch per Browser remote genutzt werden)

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  Das Rack wird aus UniProKit-Teilen gebaut

Der Backbone

Der Backbone wird gebildet durch die Sammelschiene, sowie die Verkabelung zu den Versorgungsbereichen. Gleich hinter der Backplane sind noch 16A Sicherungen welche die verfügbare Leistung auf den einzelnen Anschlüssen auf 768 W begrenzen.

Sammelschiene

Die Sammelschiene bildet den zentralen Ausgangspunkt des Backbone. Hier können einzelne Versorgungsleitungen von etwa 6mm², 10mm², 16mm² oder 25mm² mit einem M8er Kabelschuh angeschlossen werden, die dann flächendeckend in verschiedene räumliche Bereiche reichen und ggflls. noch verzweigen. Ausserdem sind hier auch die Akkumodule angeschlossen, sowie die MPPTs.

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  Die Sammelschiene

Sicherungskasten

Jede einzelne Versorgungsleitung wird mit dem Sicherungskasten verbunden und dort mit 16A DC-Sicherungsautomaten abgesichert. Diese erlauben auf den Leitungen zu den räumlichen Bereichen eine nominelle Last von 768 W aber für Dauerbetrieb sollte man bis maximal 500 W belasten . Danach verteilen sich die Leitungen in unterschiedliche Richtungen.

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  Der Sicherungskasten, geschlossen

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  Der Sicherungskasten, offen

Verkabelung und Outlets

Es werden 4 verschiedene räumliche Bereiche an das OpenNanoGrid angeschlossen: Der Seminarraum, die Kulturräume, das Elektronik-Lab und die Werkstatt. In jedem dieser Bereiche befindet sich mindestens eine zuführende 48V Leitung und ein OpenNanogrid-Outlet dafür, zuzügl. weitere ergänzende Outlets. Das OpenNanoGrid selbst könnte von seiner aktuellen Kapazität her noch um 4 weitere Versorgungsleitungen problemlos erweitert werden.

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  Einfacher 48V-Anschluss in den Kulturräumen.

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  Einfacher 48V-Anschluss im Elektroniklabor. Die XLR-Buchse wurde hier noch vorne eingesetzt aber es ist günstiger, sie seitlich zu plazieren.

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  Einfacher 48 V Anschluss mit nachgeschaltetem Verteiler in der Werkstatt

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  Dreifacher 48 V Anschluss (Mitte) mit nachgeschaltetem 24V DC-DC-Wandler (dadrunter), an welchem wiederum ein Verteiler angeschlossen ist (Ganz oben), an dem seitlich zwei 24V-Verbraucher hängen. Im Seminarraum.

DC-Outlets für 48V

Es wurde ein modulares System zur Erstellung von zwei kombinierbaren Grundtypen von Outlets entwickelt, mit denen sich alle möglichen gewünschten lokalen Anschlussvarianten realisieren lassen.

Grundtyp 1 "Verteiler": Dabei werden in hartschaligen Verteilerkästen 1 oder bis zu 3 XLR-Buchsen intgegriert, und mit der zuführenden 48V-Leitung verbunden (entweder als festes Kabel, oder mit einem XLR-Stecker). Ausserdem könnten noch bis zu 3 weiteren festen Anschlusskabeln herausgeführt werden.

Die XLR-Verbindung wird oft im Bereich Audio- und Bühnentechnik verwendet und ist von daher auf einen Spannungsbereich von 48V ausgelegt (siehe zB. "Phantomspeisung" von Mikrofonen). Wir verwenden hier dreipolige Stecker vom Typ Neutrik NC-3MX und Buchsen vom Typ Neutrik NC3FDX-T, welche beide für einen Stromfluss von 16A spezifziert sind. Die Buchsen weisen eine Lasche auf welche dazu dient das GND als erstes connected wird und ausserdem den Stecker mechanisch einrasten lässt so dass er nicht unbeabsichtigt rausrutschen oder rausfallen kann, sondern zum lösen explizit die Lasche gedrückt werden muss.

Die gewählten Verteilerkästen mit Schutzklasse IP65/IP67 sind ideal, da sie mehrere seitliche Ausgänge aufweisen, die mit Gummistöpseln verschlossen sind und deren Öffnungsgröße just minimal größer als der Durchmesser der XLR-Buchsen ist so dass diese perfekt da reinpassen. Man muss lediglich um die Öffnung herum noch 4 kleine Löcher zur Befestigung mit M3er Schrauben und Muttern bohren, wofür man die Buchse als Bohrschablone verwenden kann. Ausserdem sind bieten sie genug Raum um innen mehrere Verbindungen über Lüsterklemmen oder Wago-Klemmen unterzubringen oder sogar auch einen DC-DC-Wandler. Sollte der Platz dennoch nicht ausreichen gibt es auch noch größere Varianten davon.

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  Neutrik NC-3MX Stecker und NC3FDX-T Buchse

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  Kabel mit XLR-Stecker.

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  Verteilerkasten mit XLR-Buchse

Die Verbindung mit XLR-Steckern und -Buchsen ist eher eine mobile Variante, die für flexible Variationen eingesetzt werden kann oder in der Anfangsphase, wenn noch nicht genau klar ist, was in einem Raum konkret benötigt wird und man verschiedene Kombinationen ausprobieren möchte. Sobald das aber geklärt ist oder von vornherein feststeht kann man durch eine feste Verkabelung den Aufwand für Stecker und Buchse einsparen. Im übrigen kann die Variation fest vs. flexibel auch problemlos im nachhinein modifiziert werden. Wenn zB. die zuführende Leitung mit einem Stecker an ein 48V-Outlet angebunden ist, dann kann dieses in der nachgeschalteten Box einfach gegen ein festes Kabel ausgetauscht werden, weil die Verbindung innerhalb der Box ohnehin über Lüsterklemmen realisiert ist.

Die Verteiler können mit zwei oder auch nur einer Ausgangs-Buchse ausgestattet sein, wobei es bei letzterem dann kein Verteiler im Wortsinne wäre, aber es wäre der mimimale Grundanschluss-Typ der eine 48V Zuleitung in eine Ausgangsbuchse übersetzt. Ausserdem können noch 3 weitere Ausgänge als festes Kabel herausgeführt werden, so dass eine Verteilerbox der gegbenen Größe bis zu 5 Ausgänge haben kann. Möchte man mehr haben kann man entweder eine größere Verteilerbox wählen oder einfach noch weitere Verteiler dahinterschalten.

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  Grundanschlussdose für 48V. Das zuführende Backbone-Kabel wird von oben and er Seite mit nur einer Öffnung eingeführt und mit der Lüsterklemme verbunden.

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  Zweifach-Verteiler

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  Dreifach-Verteiler mit zwei Buchsen und einem festen Kabel als Ausgang

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  Zweifach-Verteiler mit einem flexiblen Kabel mit Stecker als Eingang