OpenNanoGrid
OpenNanoGrid
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.
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 Hauptgeneratoren 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).
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.
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.
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)
Das Rack wird aus UniProKit-Teilen gebaut
Schema
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 ggflld. noch verzweigen. Ausserdem sind hier auch die Akkumodule angeschlossen, sowie die MPPTs.
Die Sammelschiene
Sicherungskasten
Jede einzelne Versorgungsleitung wird mit dem Sicherungskasten verbunden und wird dort mit 16A DC-Sicherungen abgesichert. Danach verteilen sich die Leitungen in unterschiedliche Richtungen.
Der Sicherungskasten, geschlossen
Der Sicherungskasten, offen
