OpenNanoGrid: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 26. August 2022, 15:48 Uhr

OpenNanoGrid Backplane
Vorderseite

Beschreibung, Lizenz, Entwicklungsstand
Projekt: OpenNanoGrid. Beschreibung: Das Forschungs-Projekt “OpenNanoGrid” beschäftigt sich mit der Entwicklung, Implementierung und experimenteller Erprobung eines dezentralen DC-Niedervolt-Hausversorgungssystems auf OpenHardware-Basis als Bestandteil des SolarBox-Projektes.
Stichwörter	DC-Niedervolt-Stromsystems; Stromverwaltung
Lizenz	Namensnennung – Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International (CC BY-SA 4.0)
Status	aktiv
Erreichte Stufen	Erforschung; Prototyp entwickeln
Austausch
Kontakt	Oliver Schlüter <os@ose-germany.de> Martin Jäger <martin@libre.solar>
Urheber, Verfasser	Bitte Urheber oder Verfasser nachtragen
Entwicklersammlungen (engl. Repositories)	https://gitlab.opensourceecology.de/opennanogrid/opennanogrid-main
Daten
Verfügbare Metadaten (OKH Meta-Data)	n.a.

Das Forschungs-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.

Das Projekt wurde ausserdem von der Veolia Stiftung gefördert im Rahmen des Förderprogrammes 2021, „Energieeffizienz und erneuerbare Energien“: https://www.stiftung.veolia.de/projektdatenbank/opennanogrid.

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 UrbanFarming-Projekte wie Indoor-Hydroponik 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.

Die Hauptgeneratoren 1 und 2 mit jeweils 1,5 KWp. Pro Generator 6 Panels zu 250 Wp, welche in zwei 3er-Strings verschaltet sind.
Der Hauptgenerator 3 mit 1,0 KWp; bestehend aus 4 Panels zu 250 Wp, welcher in zwei 2er-Strings verschaltet ist.
SolarGenerator4 mit 600Wp; bestehend aus 6 Panels zu 100 Wp die alle parallel verschaltet sind (12V).
SolarGenerator5 mit 400Wp; bestehend aus 4 Panels zu 100 Wp, die alle seriell verschaltet sind (48V).

Generator-Anschlusskästen

Die String-Verschaltung der Haupt-Solargeneratoren und die Verbindung mit den Generator-Aschlusskästen. Die Kabelstärke der Solarkabel beträgt 6 mm² und die des Erdleiters 16 mm².

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.

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

Das Rack wird aus UniProKit-Teilen gebaut ...
... welche in der UPKlib als CAD-Dateien vorliegen

Vorderansicht
Rückansicht

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

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

Schema

Backplane Schema. MPPT-to-BAT-Kabel: 6 mm²; BAT-to-Busbar-Kabel: 16 mm²; LOAD-to-Busbar-Kabel: 10 mm². Als Laderegler werden hier welche vom Typ Victron Smart- / Blue-Solar MPPT 150/35 verwendet (Max. 2KW, 150V, 35A). Als Main-Control ein Victron Cerbo-GX mit Touch50-GX Direct User-Interface. Der Cerbo beinhaltet auch eine WIFI-Schnittstelle.

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.

Backbone Schema. Die Kabelstärken der Unterverteilung zu den Outlets betragen 10mm² bei Distanzen bis 10m (und 16mm² bis 30m). Die Speicherbank besteht aus 3 einzelnen Pylontech US-3000C Modulen zu je 3.5 KWh und diese beinhalten jeweils ein eigenes BMS. Sie können untereinander über ein serielles RJ45-Kabel kommunizieren und das erste Modul übernimmt dann die Master-Funktion und kann über die BMS/CAN Leitung die Ladezustände (und bestimmmte Anforderungen) an die Main Control übermitteln, welche wiederum mit den MPPTs in Verbindung steht und diese steuern kann.

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.

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.

Der Sicherungskasten, geschlossen
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 kann (und wird) von seiner aktuellen Kapazität her noch um 4 weitere Versorgungsleitungen problemlos erweitert werden.

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

Einfacher 48 V Anschluss mit nachgeschaltetem Verteiler in der Werkstatt
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 Belegung der 3 Pole ist immer gleich: Pin1 an Plus, Pin2 an Minus, Pin3 an GND.

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.

Neutrik NC-3MX Stecker und NC3FDX-T Buchse
Kabel mit XLR-Stecker.
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.

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

Dreifach-Verteiler mit zwei Buchsen und einem festen Kabel als Ausgang
Zweifach-Verteiler mit einem flexiblen Kabel mit Stecker als Eingang

Switchboxen für 12V, 24V oder 48V

Grundtyp2 "DC-DC-Wandler": Während die 48V ja schon als Hauptspannung anliegen sind für Ausgänge mit 24V oder 12V entsprechende DC-DC-Wandler erforderlich, welche sich ebenfalls in die Verteilerkästen integrieren lassen. Allerdings reicht da der Platz dann nur für eine Ausgangsbuchse, weshalb man bei Mehrbedarf einen entsprechenden Verteiler dahinter setzen kann. Die Verteiler selbst sind übrigens Spannungs-neutral, dh., die an den Ausgängen anliegende Spannung entspricht der Spannung in der Zuleitung.

Um das System einfacher zu halten verwenden wir hier nur Wandler, die von 48V Eingangsspannung ausgehen, egal ob daraus 24V oder 12V werden - theoretisch könnte man aber auch die 12V aus 24V erzeugen. Dabei können die 24V-Wandler mit 20A belastet werden und somit eine Leistung von 480W liefern, während die 12V-Wandler mit 25A belastet werden und entsprechend 300W liefern können. Die gesamte Leistung der einzelnen Ausgänge darf/kann aber in Summe niemals die insgesamt zugeführte Leistung auf der 48V-Backbone-leitung überschreiten.

Mobiler 24V DC-DC-Wandler mit einer Ausgangsbuchse und einer flexiblen Eingangsleitung mit XLR-Stecker, offen
Mobiler 24V DC-DC-Wandler, geschlossen

Pros und Cons

Bei der Gestaltung des Outlet-Systems gibt es eine schier unendliche Anzahl an Möglichkeiten, wie man das Ganze auslegen bzw. designen kann, zB. gibts auf Thingiverse viele interessante Designs zur Integration XLR-Buchsen, oder man könnte auch ein völlig anders Buchsen/Stecker-System als XLR verwenden - die Industrie bietet dazu sicher viele Alternativen an.

Insofern mag eine völlige Umänderung oder Neugestaltung des Systems gegenstand zukünftiger Entwicklungen sein. Im vorliegenden Fall ging es uns aber hauptsächlich darum zunächst ein möglichst einfaches System mit gut verfügbaren Komponenten bereitzustellen, welches eher auf Pragmatismus als Eleganz ausgerichtet ist. Man kann aus ganz wenigen Grundkomponenten eine Vielzahl von Variationen, je nach den örtlichen Erfordernissen, aufbauen.

Die Vorteile liegen also in der guten und kostengünstigen Verfügbarkeit und einer stabilen Robustheit der Komponenten. Das man sowohl für die Verteiler als auch die Wandler die gleichen stabilen Boxen verwenden kann war gar nicht ursprünglich so geplant gewesen sondern hat sich unterwegs als Vorteil ergeben.

Es gibt aber auch einen gravierdenden Nachteil, auf den an dieser Stelle deutlich hingewiesen werden soll. Das System bietet in seiner gegenwärtigen Form keine Unterscheidungsmöglichkeit für die verschiedenen Spannungen bzw. keinerlei mechanischen Schutz gegen Verbindungen mit der "falschen" Spannung. Wenn man einen 12V-Verbraucher direkt an den 48V Ausgang anstöpselt wird er wahrscheinlich zerstört.

Das Minimum wäre hier eine schriftliche und/oder farbliche Kennzeichnung sowohl an den Outlets als auch an den Steckern von Verbrauchern, um zumindest einen optischen Anhaltspunkt zu bieten. Das soll auch in der vorliegenden Implementierung so umgesetzt werden, allerdings ist auf den hier gezeigten Bildern, die aus einem frühen Entwicklungsstadium stammen, noch nichts davon zu sehen. Der Grund besteht darin das noch nicht abschliessend entschieden wurde, wie das genau ausgestaltet werden soll um dem Problem möglichst sinnvoll zu begegnen.

Abgesehen von einer direkten Beschriftung oder Aufklebern wäre es auch denkbar, im Rahmen künftiger Entwicklungen eine Art 3d-druckbaren Adapter um die Stecker und Buchsen herum zu konstruieren, welcher für die jeweiligen Spannungen eine Art Schlüssel-Schloss-Prinzip abbildet, nach welchem etwa ein Stecker von einem 24V-Verbraucher sich ausschliesslich mit einer 24V-Buchse mechanisch verbinden lässt.

Die Verbraucher

Gleichstrom-Verbraucher

Mit dem OpenNanoGrid können 48V und 24V DC-Verbraucher bis ca. 500W versorgt werden, sowie 12V Verbraucher bis zu 300W. Insbesondere für 12V und 24V gibt es schon eine größere Auswahl an Geräten und Verbrauchern aus den Marktbereichen „Camper und Caravans“. Man braucht einfach nur den Versorgungsanschluss mit einem XLR-Stecker(-Adapter) zu versehen. Desweiteren gibt es viele Geräte, die intern ohnehin schon mit Gleichstrom laufen und diesen durch einen Netzteiladapter mit 230V AC Anschluss beziehen. Da könnte man letzteren bei 12V und 24V einfach weglassen und bei anderen Voltzahlen, zB. Akkuschrauber mit 18V, müsste man noch einen kleinen DC-DC-Wandler dazwischenschalten. Es könnten auch Geräte im Rahmen von weiteren OpenHardware-Projekten neu entwickelt und konstruiert werden, vorzugsweise mit 48V Systemspannung, denkbar wäre zB. eine einfache DC-Waschmaschine oder ein auf Peltier-Elementen basierender Kühlschrank. Wir haben uns vor allem erstmal auf das Thema Raum-Beleuchtung konzentriert und eine flexibel verwendbare Kabel-Lampe entwickelt, welche direkt ans OpenNanoGrid angeschlossen werden kann, und zwar sowohl an 12V als auch an 24V Ausgänge.

Kabel-Lampe mit LED-Birne, welche für sowohl 12V als auch 24V ausgelegt ist und bei 8W ca. 800 Lumen liefert. Auf dem Foto ist die Lichtstärke etwas verfälscht dargestellt, tatsächlich ist die Raumbeleuchtung sogar heller und besser, als mittels der ebenfalls im Bild sichtbaren AC-Neonleuchten.

Im Seminarraum und in der Werkstatt können CNC-Geräte wie 3D-Drucker oder Tischfräsen direkt am OpenNanoGrid betrieben werden. So haben die meisten 3D-Drucker ab 30 x 30 cm Druckraum heutzutage standardmässig ein 24V-Netzteil, welches man einfach weglassen bzw. gegen ein XLR-Anschlusskabel zum 24V-Outlet austauschen könnte.

Ein 3D-Drucker vom Typ MakersFriend, dem das AC-Netzteil entfernt und durch einen OpenNanoGrid-Anschluss mit 24V ersetzt wurde.

Das Netzteil-tray ist leer.
Dieses 24V AC-Netzteil wurde entfernt ...
... und der Drucker ans OpenNanoGrid angeschlossen.

Firmen wie Einhell, Makita und Bosch gehen heutzutage in eine ähnliche Richtung und bieten jeweils ein ganzes Universum an Akku-basierten Kleingeräten an, zunächst im Werkstatt- und Garten-Bereich, wie zB. Akkuschrauber, Kettensäge und Motorsense, aber sind auch bemüht das Produktspektrum in andere Haushaltsbereiche auszudehnen, wie zB. den Akku-betriebenen 36V-Staubsauger. Hier braucht man lediglich ein einziges Teil anzupassen, nämlich die Ladestation und hat im selben Moment eine Vielzahl von Verbrauchern für das OpenNanoGrid nutzbar gemacht.

Ein DC-Akku-Staubsauger der Marke Einhell. In punkto Saugkraft ist er erstaunlich kräftig und steht einem konventionellen AC Staubsauger in nichts nach.
Lediglich die Dauer des Saugvorganges ist durch die Akku-Kapazität begrenzt. Hier kommen gleich zwei 5.2 Ah Akkus mit zusammen 36V zum Einsatz, deren Kapazität im Normalfall ausreichend ist.

Wechselstrom-Verbraucher

Eine weitere Möglichkeit um auf einen Schlag eine Vielzahl möglicher Verbraucher aus dem OpennanoGrid zu versorgen besteht darin kleine Wechselrichter mit ein paar hundert Watt Leistung an 12V, 24V oder 48V zu verwenden. Damit könnte man alle möglichen AC-Verbraucher im Leistungsbereich des OpenNanoGrids mit solarem Strom versorgen. Das wäre ein bischen sowas wie ein Tabubruch im Hinblick auf den eigentlichen Sinn und Zweck des OpenNanoGrids als Gleichstromnetz. Allerdings könnte man es zunächst als Übergangslösung einsetzen und nach und nach immer mehr Verbraucher direkt anschliessen. Auf diese Weise wird aber immerhin schon die CO2-Einsparung realisiert und es lässt sich vergleichsweise einfach implementieren. ZB. können dadurch die Kulturräume bereits zu 100% und ausschliesslich mit Solarstrom versorgt und betrieben werden.

Ein 48V-Wechselrichter vom Typ Victron Phoenix 48/800, mit 800W Dauerleistung.

Subnetze

Insbesondere im Hinblick auf die Einbindung von LibreSolarBoxen ( https://wiki.opensourceecology.de/SolarBox )in Subnetze erfüllt das OpenNanoGrid eine wichtige Funktion als Referenz- und Test-Plattform. Diese können durch die beiden kleinen Solargeneratoren mit jeweils 400W und 600W versorgt werden, wobei bei ersterem die LibreSolarBox in unmittelbarer Nähe zur Backplane positioniert ist, um im Testbetrieb sozusagen beide gleichzeitig in Reichweite zu haben.

Die zweite LibreSolarBox ist maximal weit von der Backplane entfernt und unterstreicht damit noch eher den Charakter eines dezentral lokalisierten (und teilautonomen) Subnetzes. Die LibreSolarBox kann dabei mit einem Relais ans OpenNanoGrid angebunden werden oder über einen NanoGrid-Controller, welcher sich derzeit noch in Entwicklung befindet.

Der Unterschied besteht dabei darin, dass bei der Relais-Variante der räumliche Bereich des Subnetzes zunächst mal mit einer eigenen PV-Stromversorgung und Speicher völlig autark läuft und nur falls der Akku leer ist dann auf eine Versorgung durch den Backbone umgeschaltet wird.

Mit einem Nanogrid-Controller wäre hingegen auch ein bidirektionaler Energieaustausch zwischen dem lokalen Subnetz-Speicher und der Backplane möglich. D.h., sollte in dem Subnetz mehr Strom verfügbar sein als dort gerade gebraucht wird, kann damit die Backplane aufgeladen werden, was eben den Controller sowie einen intelligenten Algorithmus zur Anpassung der Spannungsniveaus zwischen Backbone und Subnetz erforderlich macht. [Link Masterarbeit Michel]. Dies wäre sozusagen das Endziel und ein entsprechend wichtiger Punkt in der aktuellen Entwicklung, ein entscheidender Fortschritt wurde dabei aber bereits mit der physischen Verfügbarkeit der OpenNanoGrid-Infrastruktur erzielt, in dem damit ab sofort die passende Test-Umgebung bereit steht.

Weiter fortgeschritten ist inzwischen das in einem separaten OpenHardware-Projekt parallel entwickelte und speziell auf 48V ausgelegte LibreSolar-BMS16s, welches in die LibreSolarBoxen der einzelnen Subnetze passend integriert werden kann. (https://github.com/LibreSolar/bms-16s100-sc).

LibreSolarBox V.02
Das neue LibreSolar BMS 16s100 SC, bestehend aus Control-Board und Power-Board

Inbetriebnahme und monitoring

Die in der Backplane verwendeten Komponenten von Herstellern wie Victron verfügen bereits über ausgefeilte Möglichkeiten zur internen Kommunikation, die Software dazu ist bereits in den Geräten als Firmware enthalten. Dabei können Komponenten wie z.B. die MPPTs an die Steuerzentrale vom Typ Cerbo-GX über ein ve.direct-Bus Kabel angebunden werden und werden dann vom System automatisch erkannt.

Bei der Inbetriebnahme sollte man daher zunächst die Hauptbatterie freischalten, um die Geräte mit Strom zu versorgen. Da die MPPTs nun bereit sind, ihre Tätigkeit aufzunehmen können als nächstes die Verbindungen zu den Solarkollektoren freigeschaltet werden. Über das Touchscreen-Interface vom Cerbo kann man sehen, ob und wieviel Leistung ggflls. aus den Solargeneratoren kommt. Als letztes kann man dann noch die Last, also den Backbone freischalten.

Die Akku-Module von Pylontech verfügen über keinen ve.direct-Anschluss können aber durch eine spezielle BMS-Can-Bus-Schnittstelle miteinander kommunizieren. Dabei überwacht und balanciert das in den Modulen befindliche BMS die einzelnen Akku-Zellen völlig eigenständig, aber gibt ständig Meldungen und Messdaten an den Cerbo weiter oder könnte unter bestimmten Konditionen dort etwa auch einen Alarm auslösen, zB. wenn die Batteriebank voll ist und “clippt”. Über eine serielle Schnittstelle können diese Daten auch separat ausgelesen werden und an einen Datenbankserver übermittelt werden.

Aber für den Normalbetrieb reicht auch erstmal das User-Interface vom Cerbo, da hier die Pylontech-Akkus ebenfalls erscheinen und auch darüber konfigurierbar sind. Dieses kann auch über WLAN mit einem Browser bedient werden und ist identisch mit dem auf dem Touchscreen an der Backplane.

Der Mainscreen, hier kann man optisch schon von weitem erkennen , wenn Solarstrom fliesst und die Batterie geladen wird.
Das Hauptmenu. Hier erscheinen zuoberst die von der Backplane erkannten Geräte, also die MPPTs und den Akkublock mit aktuellen Ein- und Ausgangswerten.

Das Geräte-Menu vom Akkublock, mit den aktuellen Batterie-Eingangswerten und dem Ladezustand. Ausserdem kann man hier noch weitere Konfigurationen vornehmen.
Das Geräte-Menu vom Hauptgenerator SG1, mit aktuellen Ladewerten und einem Gesamt-Ertragswert.

Die Screenshots zeigen das System bei passabler Sonneneinstrahlung und die Batterie wird gleichzeitig aus allen drei Solargeneratoren geladen.

Wenn man jetzt Verbaucher zuschaltet, dann würde sich an der Anzeige erstmal nicht viel ändern, zumindest solange der Verbrauch kleiner ist als die zugeführte solare Leistung, lediglich der Teil der an die Batterie geht wird deutlich geringer bzw. um den Verbraucheranteil reduziert und repräsentiert den verbleibenden Überschuss.

Wäre der Verbraucheranteil höher als die zugeführte Solarenergie, was zB. regelmässig nachts der Fall ist, dann wird für die Batterieaufnahme ein negativer Wert angegeben, weil dann Leistung entnommen wird.

Ein weitergehendes Monitoring System ist gerade in der Entwicklung und basiert auf dem OpenSource Monitoring System “liquid” (https://github.com/case06/liquid). Damit können dann noch Messewerte von allen möglichen weiteren Quellen im OpenNanoGrid oder auch von einzelnen Verbrauchern erfasst werden.

Literatur und Links

Referenz	Beschreibung
[1]	DIVER, ein frühes OSEG Projekt von Alex Shure, bei dem die OpenNanoGrid-Idee bereits in wichtigen Grundzügen entwickelt wird.
[2]	OpenNanoGrid Förderprojektseite in der Projektdatenbank der Veolia Stiftung
[3]	Repository mit allen relevanten Quelldateien, Bauanleitungen etc. zum Opennanogrid-Projekt
[4]	Blogartikel zum OpenNanoGrid im OSEG-Blog