Physik  |  Technik

 

Nils Leumann, 2004 | 5712 Beinwil am See, AG
Benjamin Thut, 2005 | Staufen, AG

 

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Messung und der Analyse des Stromverbrauchs eines Einfamilienhauses. Es geht um die Konstruktion einer Web-App, welche einem erlaubt, den Stromverbrauch auf einzelne Stromkreise genau über längere Zeiträume (Wochen oder gar Monate) zu analysieren und auszuwerten. Die gemessenen Daten werden mit einem System von sogenannten Current-Transformer (CT)-Sensoren und Mikrocontrollern erhoben. Die Hardware und Software wurden selbst entwickelt und zusammengebaut. Die CT-Sensoren messen den Stromfluss durch einen bestimmten Leiter und geben diese Daten an den Mikrocontroller weiter. Der Mikrocontroller verrechnet diese Daten in einen nützlichen Wert in der SI-Einheit Ampere und gibt diesen dann an einen Linux-Server weiter, welcher die Daten über eine Website darstellt und auf einer Datenbank sammelt. Diese Messungen erlauben dann, herauszufinden, welche Geräte im Haushalt wie viel Strom benötigen und wie man den Einsatz dieser Geräte so anpassen kann, um Energie zu sparen. Ziel der Arbeit ist es, dem Nutzer ermöglichen den Stromverbrauch jeglicher Haushaltsgeräte zu überwachen und zu erkennen, was wie viel Strom braucht. Damit wird eine bessere Planung des Energieverbrauchs ermöglicht, was ein wichtiger Schritt auf dem Weg ist, eine Energieknappheit zu verhindern.

Fragestellung

Wie kann der Stromverbrauch eines Einfamilienhauses genau und kostengünstig gemessen, analysiert und über längere Zeiträume verfolgt werden, um Einsparpotenziale zu identifizieren und eine effiziente Nutzung von Energie zu fördern?

Methodik

Verwendung von Current-Transformer (CT)-Sensoren und Mikrocontrollern zur Erfassung des Stromverbrauchs auf einzelnen Stromkreisen sowie Entwicklung und Zusammenbau eigener Hardware und Software für die Messungen. Integration eines Linux-Servers zur Datenaufzeichnung und Darstellung über eine Web-App. Anpassung der Software und Skripte für die Datenaufbereitung und -visualisierung. Prototyping und Tests zur Überprüfung der Funktionalität.

Ergebnisse

Die Implementierung des Projekts erfolgte erfolgreich mit einer Kombination aus CT-Sensoren und einem Mikrocontroller für die Strommessung, dem vorhandenen Zähler der Photovoltaikanlage für die Spannungsmessung und der Nutzung des Leistungsfaktors pro Phase anstelle von individuellen Werten pro Stromkreis. Dies ermöglichte eine präzise Erfassung des Energieverbrauchs und der -erzeugung im gesamten System. Die Datensammlung erfolgte kontinuierlich durch ein Python-Skript, das Daten von verschiedenen Quellen abrief und in eine InfluxDB-Datenbank speicherte. Um potenzielle Fehler zu identifizieren, wurden Benachrichtigungen eingerichtet, die bei auftretenden Problemen automatisch versendet wurden. Die Datenvisualisierung erfolgte durch ein Dashboard in Grafana, welches eine übersichtliche Darstellung der Energieversorgung ermöglichte. Dabei wurden sowohl der Stromverbrauch als auch die Photovoltaikproduktion pro Stromkreis, Phase und insgesamt visualisiert, um eine umfassende Überwachung des Systems zu gewährleisten.

Diskussion

Das Projekt stieß auf verschiedene Probleme, darunter lange Lieferzeiten für Komponenten und begrenzte Leistungsfähigkeit der Mikrocontroller. Um Engpässe zu vermeiden, wurden Reserveprodukte bestellt und die Häufigkeit der Abfragen der Messdaten reduziert. Die originale Fragestellung konnte insgesamt adressiert und während des Datensammelns interessante Trends identifiziert werden. Die verwendete Methodik hat sich bewährt. Datenschutz war ein wichtiges Anliegen, daher wurden Datenbank und Dashboard nur intern zugänglich gemacht, und erfordern von außen einen Zugriff über ein verschlüsseltes VPN. Das Projekt wird weiterhin im originalen Haushalt verwendet. Der Code ist öffentlich auf Github verfügbar, und obwohl keine sofortigen Erweiterungen geplant sind, sind zukünftige Verbesserungen wie die Integration von Smart-Plugs denkbar.

Schlussfolgerungen

Unsere Arbeit hat eine erfolgreiche Hardware- und Softwarelösung hervorgebracht, die dank solider Open-Source-Projekte schnell entwickelt werden konnte. Das Produkt ist leicht auf andere Haushalte übertragbar und bietet Raum für weitere Funktionen. Trotz Herausforderungen wie falschen Komponenten und komplexem Löten haben wir viel gelernt und erfolgreich einen kohärenten Datenfluss geschaffen. Unsere Zeitplanung war realistisch, jedoch benötigte der schriftliche Aspekt mehr Zeit als erwartet. Für die Zukunft sind weitere Schritte wie die Optimierung Codes und der Hardware sowie die Erweiterung der Funktionen möglich.

 

 

Würdigung durch den Experten

Christoph Messmer

Die Autoren haben sich mit dem Messen und Analysieren des elektrischen Energieverbrauchs in einem Einfamilienhaus eingehend befasst, und Erkenntnisse bei der Strom- und Spannungsmessung, sowie der Weiterverarbeitung der Informationen gewonnen. Die entwickelte Datenbankanwendung erlaubt die anschliessende Optimierung des Verbrauchs. Die Energiestrategie 2050 sieht die Dekarbonisierung von Gebäuden, Industrie und Verkehr mit Ziel Netto Null des CO2 Ausstosses vor. Die dafür zunehmend nötige Elektrifizierung muss jetzt bereits optimiert werden. Das Projekt leistet einen wertvollen Beitrag dazu!

Prädikat:

sehr gut

 

 

 

Alte Kantonsschule Aarau
Lehrerin: Martina Vàzquez