Protocollen en ­architectuur voor slim ­energiemanagement

1. De scope van het onderzoek gaat uit van marktgebaseerde residentiële flexibiliteit en een gelaagde architectuur.

Residentiële flexibiliteit

De focus van de stichting is een logisch gevolg van alle ontwikkelingen die zich de afgelopen jaren hebben afgespeeld op het vlak van elektrificatie in het kader van het Klimaatakkoord. Consumenten investeerden in pv-panelen, het aantal elektrische energie-intensieve apparaten (met name warmtepompen en elektrische auto’s) nam toe, er werden dynamische energietarieven ingevoerd en we staan aan de vooravond van het afschaffen van de salderingsregeling.
Dit alles heeft een (te) grote impact op de belasting van ons energienet. De enige optie om deze congestieproblemen, in elk geval op korte termijn, te verminderen, is het slim aansturen van alle elektrische apparaten. ElaadNL richt zich daarbij op de vier invloedrijkste pijlers binnen het residentiële energielandschap: warmtepompen, thuisbatterijen, pv-omvormers en laadpalen in combinatie met slimme aansturing.
‘Slim sturen’ betekent dat er gegevens moeten worden uitgewisseld tussen verschillende systemen om vraag en aanbod optimaal op elkaar af te stemmen: ofwel interoperabiliteit. Dit is mogelijk door de genoemde pijlers met elkaar te koppelen via een Home Energy Management Systeem (HEMS). In de laatste is een bepaalde vorm van intelligentie opgenomen, waardoor de afname van energie onderling optimaal is afgestemd op de beschikbaarheid van energie uit het net of de thuisaccu.

‘De interoperabiliteit laat te wensen over’

Herpositioneren

Wargers: ‘Juist door de uiteenlopende ontwikkelingen die zich naast en na elkaar hebben voltrokken, hebben we inmiddels te maken met een diversiteit aan systemen die door het ontbreken van standaarden en protocollen eigenlijk niet optimaal kunnen samenwerken. Met andere woorden: de interoperabiliteit laat te wensen over. Het is dus tijd om de boel spreekwoordelijk op te schudden en te herpositioneren.’
‘Om die reden hebben we een onderzoek opgestart waarin we hebben geanalyseerd welke communicatiestandaarden en -protocollen in Nederland beschikbaar zijn en welke de meeste potentie heeft voor ons hoofddoel: het slim aansturen van energie-intensieve apparaten in huis en de koppeling van deze apparaten met een HEMS. Hiervoor is onderzocht hoe de protocollen bijdragen aan een interoperabel systeem en welke stappen en architecturen noodzakelijk zijn om residentiële flexibiliteit tegen 2027 op grote schaal te benutten.’

2. Overzicht beschikbare protocollen. Communicatiemethoden zijn de onderliggende technieken of transmissiemechanismen die communicatie mogelijk maken. Communicatieprotocollen definiëren (ook) de inhoud en structuur van berichten en hoe apparaten of systemen moeten reageren.

Onderzoek

Het onderzoek gaat ervan uit dat residentiële flexibiliteit marktgebaseerd wordt ingezet, met de focus op de genoemde vier grootverbruikers (figuur 1). De gelaagde architectuur is gebaseerd op een sturende partij (bijvoorbeeld een regionale of nationale netbeheerder). Daarna volgt een aggregator (of andere marktpartij) die deze signalen oppikt en deze omzet in sturing naar woningen. Hier wordt de reactie op deze sturing met behulp van een HEMS afgestemd tussen de verschillende apparaten met een flinke hoeveelheid potentiële flexibiliteit.
Wargers: ‘Om alle data te verzamelen die we nodig hebben voor het trekken van betrouwbare conclusies, zijn zestien interviews uitgevoerd met verschillende marktpartijen en brancheverenigingen. Daarbij zijn tien van deze partijen vrij in het direct kiezen van het communicatieprotocol voor hun product, terwijl de zes overige partijen wat meer op afstand staan in hun rol als brancheorganisatie, belangenbehartiger of inkoper van diensten van derden. Alle partijen hebben wel hun visie ingebracht met betrekking tot de architectuur, implementatie en toepassing van protocollen.’

Qua marktpartijen zijn benaderd:
• leveranciers van HEMS-apparatuur en diensten,
• OEM’s en leveranciers van warmtepompen, thuislaadpalen, omvormers voor pv-panelen en thuisbatterijen,
• vertegenwoordigers/belangenbehartigers van consumenten,
• energieleveranciers, aannemers en software­ontwikkelaars.

Verder zijn uiteraard uiteenlopende bronnen geraadpleegd en zijn de resultaten uiteindelijk ook gedeeld en aangescherpt met de experts van onder meer TNO, ElaadNL en FAN.

Vooral standaarden en keuzes vanuit overheid ontbreken nog om door te pakken

Resultaten

Een belangrijk deel van het onderzoek betrof het vaststellen van de beschikbare protocollen en architecturen en het bepalen van de geschiktheid hiervan voor residentiële flexibiliteit (figuur 2). Uit dit deel van het onderzoek blijkt dat in de huidige markt voor de aansturing van apparaten in woningen het Modbus RTU-protocol dominant is. En hoewel het breed wordt toegepast, biedt dit protocol geen interoperabiliteit tussen verschillende systemen en apparaten.
Daarnaast is nog een aantal andere protocollen in gebruik, waardoor HEMS-leveranciers tientallen verschillende protocollen moeten kunnen ondersteunen om met alle apparaten in de woning te communiceren. Daarbij zijn vaak ook nog cloud-koppelingen met fabrikanten noodzakelijk. In het algemeen zijn de in gebruik zijnde protocollen vrij generiek; specifieke flexprotocollen worden nog weinig toegepast.
Een tweede conclusie luidt dat de communicatie naar woningen grotendeels via API’s (application programming interface) binnen cloud-gebaseerde architecturen verloopt. In sommige gevallen gebeurt dit via een HEMS, maar vaak ook rechtstreeks naar apparaten in de woning. Hoewel het ontbreken van een fysieke HEMS in huis nadelen kan hebben, is het realiteit dat er de komende jaren een hybride architectuur zal zijn. Dit betekent dat woningen met en zonder HEMS naast elkaar bestaan en dat aansturing plaatsvindt via een combinatie van verbindingen met verschillende cloud-platformen (figuur 3).
Wargers: ‘Zoals verwacht hebben we kunnen concluderen dat zowel binnen de woning als naar de woning toe, verbetering van interoperabiliteit noodzakelijk is. De geïnterviewden zijn het erover eens dat interoperabiliteit een voorwaarde is om op te kunnen schalen met residentiële flexibiliteit. Over de vraag of het ook een verdienmodel kan zijn, is men overwegend positief, maar er is ook terughoudendheid. De kosten van een HEMS-kastje in de woning zijn bijvoorbeeld nog niet eenvoudig terug te verdienen.’

3. Hybride structuur waarbij HEMS wordt gekoppeld aan cloudplatformen.

Versnellen

De resultaten zijn duidelijk: er is veel mogelijk, maar vooral standaarden en keuzes vanuit de overheid ontbreken nog om door te pakken. Wat de onderzoekers betreft vraagt de implementatieroute naar meer residentiële flexibiliteit in eerste instantie om keuzes voor een marktmodel met passende prikkels en flexprotocollen voor in de woning en protocollen naar de woning.
Geavanceerde flexprotocollen omvatten bidirectionele communicatie tussen een apparaat en het HEMS, waarbij informatie over het flexibiliteitspotentieel wordt gedeeld. De benodigde flexprotocollen zijn al voldoende ontwikkeld en voor brede toepassing inzetbaar, maar een keuze maken voor één (of enkele) van de protocollen zal duidelijkheid geven aan leveranciers en dienstverleners. Wargers: ‘Partijen nemen op dit moment een afwachtende houding aan en geven aan dat keuzes in de implementatieroute gewogen dienen te worden op verschillende criteria, zoals gewenste functionaliteit, focus op nieuwe en/of bestaande apparaten, keuzevrijheid, voorkomen van lock-ins en aansluiting bij de bestaande (internationale) praktijk.’
Een lock-in is een situatie waarin technische oplossingen consumenten afhankelijk maken van een specifiek product of een bepaalde leverancier of dienst. Wanneer overstappen lastig of duur is, zal er minder belangstelling zijn om mee te doen. Lock-ins kunnen zowel binnenshuis als buitenshuis bestaan. Binnenshuis gaat het dan bijvoorbeeld om apparaten die niet goed samenwerken met producten van andere leveranciers. Buitenshuis kunnen problemen ontstaan wanneer diensten van aggregators gekoppeld zijn aan apparaten van specifieke leveranciers, waardoor overstappen moeilijk wordt.
Het rapport sluit af met enkele handreikingen om residentiële flexibiliteit op te schalen. Zoals verwacht berusten deze voor een belangrijk deel op een eenduidige keuze voor benodigde standaarden. Wargers: ‘Maak bijvoorbeeld zo snel mogelijk een keuze voor de toekomstig te hanteren flexprotocollen, maak afspraken die aansluiten op de bestaande infrastructuur (met onder andere Modbus en API’s) en benut marktpartijen als klankbord en ambassadeur. Uiteraard speelt in deze hele thematiek ook de borging van cyberveiligheid bij de inzet van de bestaande infrastructuur een cruciale rol.’

De warmtepomp uitzetten zorgt niet alleen voor een lagere energierekening, maar ook voor een koud huis.

De consument

Met onderzoek naar de technische aspecten zoals protocollen en architecturen, zijn we er echter nog niet. Een niet te onderschatten factor in het succes van residentiële flexibiliteit is de consument zelf, die een steeds actievere rol vervult in ‘energiemanagement’. Waar huishoudens voorheen uitsluitend energie konden afnemen, kunnen ze met de huidige mogelijkheden flexibel omgaan met hun verbruik en opwek. Om hiervan maximaal te profiteren zijn bewustwording en educatie belangrijk. Lang niet alle huishoudens zijn namelijk op de hoogte van de mogelijkheden en zeker niet van de persoonlijke voordelen die vooral liggen op kostenbesparing en het – waar mogelijk – maximaal gebruik kunnen maken van eigen opgewekte elektriciteit.
Naast bewustzijn is ook transparante communicatie over energieprijzen belangrijk, evenals besparingsmogelijkheden door bijvoorbeeld realtime inzicht te geven in energietarieven, eigen verbruik en opwek. Alleen dan kunnen huishoudens ook ‘spelen’ met prijsschommelingen en hun zelfconsumptie maximaliseren.
Wanneer consumenten doordrongen zijn van de noodzaak en mogelijkheden van een flexibel energielandschap, zullen ze ook de rol van het HEMS begrijpen. Het systeem kan de processen ondersteunen door te adviseren of eventueel automatisch te handelen om zo tot de meest voordelige en efficiënte keuze te komen. Daarbij is te sturen op verschillende doelen, zoals minimale kosten, maximaal gebruik van eigen energie of minimaliseren van de CO₂-uitstoot. De HEMS zal daarbij rekening moeten houden met kritische apparaten die altijd voldoende stroom moeten hebben en apparaten waarbij dit minder kritisch is.
Uiteraard is het de bedoeling dat het HEMS zoveel mogelijk automatisch functioneert. Consumenten zijn er immers niet bij gebaat om elke beslissing handmatig te moeten doorvoeren op basis van verschillende parameters die ze de hele dag in de gaten moeten houden. Zij willen dat systemen op de achtergrond werken en apparaten aansturen op basis van actuele netbelasting en energieprijzen, terwijl zijzelf profiteren van een lagere energierekening en een duurzamer energiegebruik.
Ook mag er geen sprake zijn van een serieus comfortverlies. De warmtepomp uitzetten betekent immers wel een lagere energierekening, maar ook een koud huis. Slim aansturen zit meer in bijvoorbeeld het sneller laten laden van de elektrische auto op tijdstippen dat er veel duurzame energie beschikbaar is, het laden van de accu wanneer energieprijzen negatief zijn enzovoorts.
Wargers: ‘Door een combinatie van educatie, transparantie en slimme technologieën kunnen huishoudens geleidelijk transformeren tot actieve spelers binnen het energiesysteem, zonder dat zij worden belast met complexe technische beslissingen. Dit maakt residentiële flexibiliteit niet alleen toegankelijker, maar ook aantrekkelijker voor een brede groep consumenten.’

Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: iStock/Basilico Studio Stock/Nancy Pauwels, ElaadNL