Oktober 2024
S2-protocol ondersteunt energieflexibiliteit
Elektrificatie in het kader van de energietransitie heeft de volle aandacht. Er komen namelijk steeds meer oplossingen om elektrische energie op te wekken, te verdelen, op te slaan en te gebruiken. De aansturing van al deze oplossingen om het elektriciteitsnet staande te houden, wordt op dit moment bemoeilijkt doordat verschillende producten met verschillende protocollen communiceren. Het open S2-protocol – officieel EN 50491-12-2 – kan daar als officiële Europese communicatiestandaard voor energieflexibiliteit, verandering in brengen.
Zowel de productie van elektrische energie als het consumptiegedrag zijn de afgelopen decennia sterk veranderd. Door de elektrificatie in het kader van de klimaatproblematiek is bijvoorbeeld het gebruik van elektriciteit toegenomen. Aan de productiezijde speelt inmiddels niet alleen de energieleverancier een rol, maar ook een veelheid aan duurzame energiebronnen die in het bezit zijn van particulieren en bedrijven. Het gevolg hiervan is inmiddels duidelijk: door de groeiende vraag en de onvoorspelbare teruglevering van een teveel aan geproduceerde elektrische energie door bijvoorbeeld pv-panelen, wordt het huidige elektriciteitsnet zwaarder belast en ontstaat er netcongestie.
Hoewel centrale top-down energieproductie zonder communicatie nog steeds dominant is, groeit de gedistribueerde productie met hernieuwbare energiebronnen gestaag. Om dit in goede banen te leiden is balancering van belang. Dit betekent dat de totale productie in evenwicht moet zijn met het verbruik. Bij gecentraliseerde energieproductie volgt de energieproductie het energiegebruik, waarmee beiden eenvoudig op elkaar zijn af te stemmen. Dit is minder eenvoudig wanneer energie niet centraal, maar decentraal wordt geproduceerd waarbij de energiebronnen bovendien sterk intermitterend zijn. De beheersbaarheid van de productie en voorspelbaarheid is hiermee een stuk slechter.
Vraagzijde management
Om netcongestie te voorkomen en een goede balans mogelijk te maken, kan het zogenaamde ‘vraagzijde-management’ een oplossing bieden. Dit houdt in dat het verbruik van elektrische energie wordt afgestemd op externe signalen zoals de beschikbaarheid van (duurzame) elektrische energie, ruimte op het lokale elektriciteitsnet, prijzen en/of wet- en regelgeving. Hiervoor is het noodzakelijk om gebruik te maken van de beschikbare flexibiliteit in zowel het verbruik als de productie van elektrische energie.
Een smart-grid biedt hiervoor mogelijkheden, maar dat vereist dan wel goede communicatie tussen producerende en verbruikende entiteiten. Wanneer dit goed wordt opgezet, biedt energieflexibiliteit in de gebouwde omgeving (dus zowel voor commerciële als residentiële gebouwen) een groot potentieel.
De kracht zit in de beperkte functionaliteit
Gebouwde omgeving
Binnen de industrie wordt al langer succesvol gebruikgemaakt van het flexibiliteitspotentieel, maar binnen de gebouwde omgeving lijkt dat lastiger. Een belangrijke reden ligt in het feit dat de aard van flexibiliteit in de gebouwde omgeving anders is dan binnen de industrie. Zo verbruikt of produceert een enkele industriële asset veel meer energie dan die in de gebouwde omgeving, waarmee de flexibiliteitsmarge hoger is. Ook de voorspelbaarheid van de werking van industriële assets is vele malen hoger dan in de gebouwde omgeving. Verder kan de industrie zich focussen op een beperkt aantal installaties, terwijl de gebouwde omgeving een veelheid aan assets heeft (EV, pv, warmtepompen, batterijen enzovoort) die bovendien beschikbaar zijn in een verscheidenheid aan merken, modellen en communicatie-/IoT-protocollen. Hiermee is een relatief grote, gefragmenteerde inspanning nodig om die flexibiliteit beschikbaar te maken voor een slim netwerk.
Samenvattend is het veel duurder om flexibiliteit te ontgrendelen uit assets in de gebouwde omgeving, terwijl het ook nog eens minder oplevert dan in de industrie. Om het winstgevend te maken, is het daarom nodig de kosten te minimaliseren en dat is precies waar de S2-standaard een meerwaarde kan bieden.
S2-architectuur toont integratie met bestaande protocollen en uiteenlopende manieren om de CEM-functionaliteit te implementeren.
Architectuur
Al in 2011 al kwam er vanuit de Europese commissie een verzoek om een norm te maken over een generieke taal waarmee energieflexibiliteit is aan te sturen. In 2022 publiceerde NEN de norm EN 50491-12-2: ‘Specificatie van de informatie-uitwisseling tussen energiemanagementsystemen en slimme apparaten.’ Inmiddels wordt het protocol in de volksmond ‘S2’ genoemd. Deze naam is ontleend aan de naamgeving die deze interface heeft in de ‘Europese Smart Grid Architecture’, die is ontwikkeld in Mandaat 490 van de Europese Commissie. Daarnaast spreekt het makkelijker uit. De door Cenelex TC205 ontwikkelde standaard – onder de paraplu van EN 50491-12-serie – is het antwoord op de missende interface tussen het energiebeheersysteem (EMS) en slimme apparaten in de Europese Smart Grid-architectuur.
De ontwerpfilosofie van de S2-interface is om de verantwoordelijkheden voor energiebeheer te verdelen tussen de Customer Energy Manager (CEM) en de Resource Manager (RM). De Resource Manager beschrijft de ‘technische’ flexibiliteitsmogelijkheden en -beperkingen. De CEM richt zich op de mogelijkheden om de waarde van die flexibiliteit te benutten door bijvoorbeeld incentive-regelingen te overwegen. De S2-interface wordt vervolgens gebruikt om de energieflexibiliteit van slimme apparaten te communiceren met de Customer Energy Manager (CEM) die op zijn beurt S2 gebruikt om – op basis van deze informatie – instructies naar slimme apparaten te sturen.
De kracht van deze ontwerpfilosofie zit in de beperkte functionaliteit: de open standaard richt zich uitsluitend op het uitwisselen van informatie over energieflexibiliteit tussen apparaten en energiebeheersystemen (EMS). Daarbij luidt altijd de vraag in hoeverre een apparaat op een specifiek moment een bijdrage kan leveren aan de energieflexibiliteit. De benodigde intelligentie om deze bijdrage te beoordelen en in te zetten – veelal gebaseerd op use-cases – is volledig ondergebracht in het EMS. Toekomstige ontwikkelingen vragen dan in veel gevallen uitsluitend om het uitwisselen van de EMS, wat wellicht ook nog beperkt kan blijven tot een software update.
Er is bewust gekozen voor deze beperkte scope en deze niet uit te breiden met de mogelijkheid om bijvoorbeeld op afstand te configureren of onderhoud uit te voeren. Dit zou de complexiteit van het protocol alleen maar vergroten en hiermee de impact op de interoperabiliteit frustreren. Het zou bovendien de implementatie en het onderhoud moeilijker maken.
S2 is niet bedoeld om bestaande besturings-protocollen te vervangen
Voordelen
Het S2-communicatieprotocol is een open protocol, wat betekent dat elke fabrikant het mag gebruiken voor communicatie van hun eigen product met het EMS. Daarbij houdt de OEM de volledige controle over de energieflexibiliteit die beschikbaar is voor het EMS; deze interfereert dus niet met de zorgvuldig ontworpen regelkring van het apparaat. De laatste kan in alle gevallen dan ook een EMS-instructie negeren wanneer deze in strijd is met de veiligheid of het gebruikerscomfort beperkt. Ook de eindgebruiker speelt een rol in het beschikbaar stellen van de energieflexibiliteit voor het EMS door keuzes te maken die bij hem passen. De mogelijkheid om zelf te kunnen regelen vergroot vaak de acceptatie van zo’n nieuwe oplossing.
S2 is niet bedoeld om bestaande (propriëtaire) besturingsprotocollen – zoals Zigbee, OpenADR, KNX of Matter – te vervangen. Het definieert daarentegen een energieflexibiliteitstoepassingsmodel dat nog niet bestaat in protocollen. Vanwege de beperkte focus op alleen energiebeheer, vult het een specifieke leemte.
Gebruikers accepteren oplossingen makkelijker wanneer zij de mogelijkheid hebben om zelf te regelen.
5 Regeltypen
De intelligentie in het EMS is gebaseerd op analyse van veel use-cases en apparaatcapaciteiten voor energieflexibiliteit. Hieruit zijn verschillende flexibiliteitspatronen gedestilleerd die iets zeggen over de flexibiliteit die een apparaat kan bieden. Deze flexibiliteitspatronen – acht in totaal – vertonen overlapping in hun regelgedrag waardoor uiteindelijk vijf regeltypen zijn gedefinieerd om alle gebruikscases van energieflexibiliteit te dekken.
Een Resource Manager brengt de flexibiliteit van het apparaat dat het vertegenwoordigt in kaart op een van deze regeltypen. De CEM hoeft alleen deze vijf regeltypen te implementeren om verbinding te kunnen maken met alle apparaten via hun respectieve Resource Managers. Resource Managers zijn vervolgens in staat (indien ondersteund door het onderliggende slimme apparaat) om vermogens-/energiemetingen en -voorspellingen te leveren. De vijf regeltypen zijn:
1. Power Envelope Based Control. Regeling voor apparaten die niet door de CEM kunnen worden aangestuurd om zich aan een specifieke waarde voor hun productie of verbruik te houden. Ze kunnen echter door de CEM worden gevraagd om bepaalde vermogenslimieten in de loop van de tijd niet te overschrijden.
2. Power Profile Based Control. Regeling op basis van het power profile is typisch voor apparaten die een functie uitvoeren met een bijbehorend vermogensprofiel dat bekend is of vooraf kan worden voorspeld. Hun belangrijkste flexibiliteit komt voort uit de mogelijkheid om de starttijd van dat vermogensprofiel te wijzigen. Witgoed, zoals een wasmachine met een uitgestelde startoptie, is een goed voorbeeld van deze categorie.
3. Operation Mode Based Control. Apparaten die binnen dit besturingstype vallen, hebben de mogelijkheid om de hoeveelheid stroom te regelen die ze produceren of verbruiken, zonder significante effecten op hun toekomstige flexibiliteitsopties. Bijvoorbeeld dieselgeneratoren en variabele elektrische weerstanden.
4. Fill Level Based Control. Het op vulsnelheid gebaseerde regeltype is te gebruiken voor apparaten die de mogelijkheid hebben om energie op te slaan of te bufferen. Hoe energie wordt opgeslagen of gebufferd, maakt niet uit, zolang er maar een manier is om te meten hoe vol de opslag of buffer is. Voorbeelden zijn stationaire batterijen en elektrische voertuigen, maar ook verwarmingsapparaten als boilers.
5. Demand Driven Based Control. Het laatste regeltype is voor systemen die flexibel zijn in het type energiedrager dat ze gebruiken, maar niet in staat zijn om energie te bufferen of op te slaan. Een typisch voorbeeld is een hybride warmtepomp die warmte genereert met behulp van elektriciteit (met behulp van een warmtepomp) of aardgas (met behulp van een gasketel), maar geen thermische buffer heeft. De hybride warmtepomp moet een bepaalde hoeveelheid warmte leveren (dus vraaggestuurd), maar kan nog steeds beslissen of deze warmte moet worden gegenereerd met behulp van elektriciteit of aardgas.
Praktijk
Belangrijk is dat S2 zich in de praktijk inmiddels heeft bewezen. Het is niet alleen een concept op papier, maar het is in de praktijk getest in talloze veldproeven en projecten met veel partners. EU-projecten, zoals H2020 Holisder, H2020 InterFlex en H2020 InterConnect, hebben bijvoorbeeld bijgedragen aan het succes van dit protocol. Ook nationale projecten zoals Heerhugowaard, Energie Koplopers en GO-e hebben het protocol met succes op de proef gesteld.
Tot slot: S2 is momenteel een Europese standaard, die is opgepikt door IEC SC23K om er een mondiale standaard van te maken als IEC 63402-2.
Slim energieflexibiliteit benutten
Naast alle voordelen voor OEMs en energiemaatschappijen, levert S2 de gebruiker uiteindelijk ook een lagere energierekening op. Een tweetal voorbeelden:
• Een warmtepomp heeft als primaire taak om een woning te verwarmen en voldoende warm tapwater te produceren. Daarbij zijn er verschillende manieren om dit doel te bereiken. Door S2 toe te voegen wordt de slimste keuze gemaakt. Bijvoorbeeld direct na het gebruik van warm water nieuw warm water produceren. Of juist even wachten tot de zon schijnt of het elektriciteitsnet meer ruimte biedt.
• Een ander voorbeeld is het betrekken van de energieprijzen in de uiteindelijke beslissing. Bij lage – of zelfs negatieve – energieprijzen ligt het voor de hand om eerst de thuisbatterij op te laden en pas daarna het pv-systeem af te sluiten.
Tekst: ing. Marjolein de Wit - Blok
Fotografie: iStock