Nachhaltigkeit BUGA23
Dashboard Nachhaltigkeit BUGA23

Diar Sulejmani, Himayat Kamran, Lennart Gulde, Mara Ströbel & Ursula Sattler

Nachhaltigkeit BUGA23

Inwieweit trägt die Photovoltaikanlage zur Nachhaltigkeit der BUGA bei?

Die Bundesgartenschau 2023 in Mannheim steht ganz im Zeichen von Nachhaltigkeit und Energie; eine der Maßnahmen ist die Installation einer Photovoltaikanlage auf der BUGA. Ziel des Dashboards ist es, die Auswirkungen dieser PV-Anlage auf die Energiebilanz zu untersuchen. Heatmap, Balken-, Histogramm- und Flächendiagramme bieten Einblicke in den Selbstversorgungsgrad oder die Abhängigkeit von Sonneneinstrahlung. Somit wird eine effektive Überwachung und Analyse des Energieverbrauchs und der -erzeugung ermöglicht.

Dieses Projekt ist im Rahmen des Kurses “Grundlagen der Datenvisualisierung” im Sommersemester 2022 an der Hochschule Mannheim unter der Leitung von Prof. Dr. Till Nagel entstanden.

Konzept

Diese Bundesgartenschau im Jahr 2023 in Mannheim ist fokussiert auf die Themen Energie und Nachhaltigkeit. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der Gestaltung dieses einzigartigen Events.

Ein wichtiger Partner in diesem Bereich ist die MVV Energie, die im Auftrag der Smart City Mannheim eine Photovoltaikanlage auf der BUGA23 installiert hat. Diese Anlage erstreckt sich über eine Fläche von 6500 Quadratmetern auf der U-Halle des Spinelli-Geländes und hat eine Leistung von rund einem Megawatt. Sie liefert damit einen bedeutenden Beitrag zur Energieversorgung der Veranstaltung. Im Rahmen dieser Energiepartnerschaft möchten wir eine folgende Fragen untersuchen: Wie beeinflusst die Stromproduktion der Photovoltaikanlage die Strombilanz der BUGA? Und wie wird diese Strombilanz durch äußere Einflussfaktoren, wie Wetter und Events beeinflusst? Auf diesen Fragen aufbauend, wurden zwei Arbeitshypothesen aufgestellt.

  1. An besonders sonnigen Tagen kann der Prozentsatz des durch die Photovoltaik-Anlage gedeckten Stromverbrauchs der BUGA23 deutlich steigen. Dies ermöglicht eine nachhaltigere Stromversorgung für die Veranstaltung und verringert die Abhängigkeit von externem Strom.
  2. Allerdings kann an Tagen mit ungünstigen Wetterbedingungen oder hohen Eventbelastungen die Abhängigkeit der BUGA23 von externem Strom steigen. In solchen Situationen reicht die Energieproduktion der Photovoltaik-Anlage möglicherweise nicht aus, um den Gesamtenergiebedarf zu decken.

Das entstandene Dashboard wurde für das Management der Bundesgartenschau konzipiert, insbesondere für das Team, das für die Photovoltaikanlage verantwortlich ist. Das Ziel ist es, mit den Visualisierungen wertvolle Einblicke in die Leistung der Photovoltaikanlage, sowie auf die Bilanz der Veranstaltung zu liefern. Zusätzlich ist es das Ziel, dass Ausfälle erkenntlich gemacht werden, welche die Bilanz möglicherweise negativ beeinflussen. Darüber hinaus kann es auch für zukünftige Veranstalter der Bundesgartenschau interessante Einblicke über die Energiebilanz solcher Events geben.

Daten

Unter Berücksichtigung unserer Forschungsfrage und der aufgestellten Hypothesen begannen wir unsere Untersuchung zunächst durch das Betrachten und Analysieren von Daten direkt auf der Webseite der MVV Energie. Nach dieser ersten Analyse wurden bestimmte Datensätze, die besonders interessant oder relevant für unsere Untersuchung erschienen, in Tableau importiert. Durch die Visualisierung dieser Datensätze in Tableau konnten wir erste tiefere Analyse durchführen und weitere Schlussfolgerungen ziehen.

Stromerzeugung und -verbrauch (BUGA Gesamt)

Wir haben umfangreiche Datenanalysen zum Stromverbrauch und zur Stromerzeugung auf der BUGA durchgeführt. Die erfassten Dimensionen umfassen genaue Zeitpunkte (in Minutenintervallen), den Stromverbrauch der BUGA (in kW) und die Stromerzeugung der U-Halle Photovoltaik (PV) Anlage (ebenfalls in kW). Eine interessante Besonderheit bestand darin, dass die PV-Anlage manchmal keine Daten lieferte. Wie im hier abgebildeten Code zu sehen, wurde in solchen Fällen für die Stromproduktion null-Werte eingesetzt und mit einer entsprechenden Flag markiert.

datenVerbrauch.forEach((value, timestamp) => {
    if (datenErzeugung.has(timestamp)) {
        combinedMap.set(timestamp, {
            valueVerbrauch: value,
            valueErzeugung: datenErzeugung.get(timestamp),
            valueBilanz: datenErzeugung.get(timestamp) - value,
            hasErzeugungData: true
        })
    } else {
        combinedMap.set(timestamp, {
            valueVerbrauch: value,
            valueErzeugung: 0,
            valueBilanz: 0 - value,
            hasErzeugungData: false
        })
    }
})

Ein weiterer bedeutender Aspekt ist, dass die Messungen der PV-Anlage bereits am 5. April 2023 begannen, eine Woche vor dem Start der Messungen des Stromverbrauchs am 12. April 2023. Daher beziehen unsere Analysen die Daten erst ab dem 25. April 2023 mit ein, da erst zu diesem Zeitpunkt mehr Stromzähler in den Gesamtstromverbrauch integriert wurden. Dies ermöglicht eine umfassende und korrekte Auswertung, bei der alle relevanten Informationen berücksichtigt werden.

T-055 (Klimastation Mannheim FB 61 auf der Buga)

Zusätzlich führten wir Analysen mit Daten von der Klimastation Mannheim durch, die sich direkt auf dem BUGA-Gelände befindet. Die Dimensionen dieser Datenquelle umfassten Zeitpunkte in 10-minütigen Intervallen, Einstrahlung in W/m², Temperatur in °C, Luftfeuchtigkeit in % und Luftdruck in hPa. Diese Daten sind äußerst wertvoll, da sie uns Einblicke in die Wetterbedingungen geben und uns dabei helfen zu verstehen, wie sie den Betrieb der BUGA und die Energieerzeugung der Photovoltaikanlage beeinflussen könnten. Die Klimadaten ermöglichen es uns, potenzielle Auswirkungen von Sonneneinstrahlung auf die Effizienz und Leistung der PV-Anlage zu untersuchen.

Veranstaltungs-Scraper

Zusätzlich nutzten wir einen Veranstaltungs-Scraper, um Details zu den auf der BUGA stattfindenden Veranstaltungen zu sammeln. Die Dimensionen umfassen den Namen der Veranstaltung, das Start- und Enddatum sowie die Start- und Endzeit. Dies half uns, das Publikumsverhalten besser zu verstehen und es mit anderen Faktoren wie dem Stromverbrauch in Beziehung zu setzen.

Erster Prototyp

Ein Dashboard hat sich als äußerst komfortable Lösung für die einfache Handhabung und Exploration von Daten erwiesen. Durch das Dashboard kann der Nutzer auf einen Blick alle relevanten Datenvisualisierungen mit interaktiven Elementen betrachten.

Insbesondere soll es dem Nutzer ermöglicht werden, Zeiträume von einem bis zu mehreren Tagen in einem Kalender auszuwählen. Dadurch können die Visualisierungen entsprechend angepasst und miteinander verglichen werden. Dabei stehen insbesondere der Stromverbrauch, die Stromerzeugung und deren Zusammenhang mit der Sonneneinstrahlung im Fokus.

Erster Prototyp des Dashboards

Im ersten Prototyp wurde ein Heatmap-Kalender verwendet, um die Tagesbilanz zwischen Stromerzeugung und -verbrauch darzustellen. Die Idee dahinter war, dass der Nutzer einen bestimmten Zeitraum auswählt und dann in den Diagrammen einen Vergleich zwischen Erzeugung, Verbrauch und Sonneneinstrahlung auf Stunden- oder Tagesbasis durchführen kann.

Für den Vergleich zwischen Verbrauch und Erzeugung wurde ein Flächendiagramm entworfen. Dabei wurden die Erzeugung (grün), der Verbrauch (rot) und die Bilanz (blau) in einem definierten Zeitraum dargestellt.

Das Diagramm zur Sonneneinstrahlung wurde ebenfalls als Flächendiagramm gestaltet und mit einer Farbabstufung von gelb bis orange versehen, wobei gelb eine geringe Sonneneinstrahlung und orange eine starke Sonneneinstrahlung repräsentiert. Dadurch wird die Intensität der Sonneneinstrahlung visuell verdeutlicht.

Darüber hinaus soll eine Visualisierung erstellt werden, die den Anteil des Gesamtstroms der BUGA darstellt, der bisher durch Photovoltaik abgedeckt wurde. Im ersten Prototyp wurde dies mithilfe einer Glühbirne visualisiert, die entsprechend dem prozentualen Anteil der Selbstversorgung eingefärbt wurde.

Ursprünglich wurde auch erwogen, Erläuterungen zum Stromverbrauch anzuzeigen, um ein besseres Verständnis der Einheiten zu ermöglichen. Diese Überlegung wurde jedoch in der finalen Version verworfen.

Erster Protptyp des Dashboards, zweiter Reiter

Der zweite Reiter des Prototyps enthielt eine Karte mit allen Stromzählern der Bundesgartenschau und ihrem Verbrauch. Diese Idee wurde aber aus Zeitgründen in der finalen Version nicht implementiert.

Das finale Dashboard

Das finale Dashboard besteht aus einem linken und einem rechten Teil mit fünf Visualisierungen und einer Auflistung der BUGA-Veranstaltungen.

Der Hauptaspekt des Dashboards ist der Selbstversorgungsgrad, der den prozentualen Anteil des mit PV-Anlagen erzeugten Stroms am Stromverbrauch repräsentiert. Wir verwenden ein divergentes Farbschema von Rot über Gelb nach Grün, um den Selbstversorgungsgrad darzustellen. Je grüner das Diagramm gefärbt ist, desto mehr Strom wurde gedeckt und desto nachhaltiger damit die Stromproduktion.

Kalender mit täglichem Selbstversorgungsgrad

Oben links befindet sich ein Kalender. Die einzelnen Kalendertage sind entsprechend ihres täglichen Selbstversorgungsgrads eingefärbt. Über ein Tooltip kann für jeden Tag die tägliche Stromerzeugung, der Stromverbrauch, die Strombilanz und der Selbstversorgungsgrad angezeigt werden. Zwischen den einzelnen Monaten kann navigiert und Zeiträume können ausgewählt werden. Die gewählten Zeiträume beeinflussen die Visualisierungen auf der rechten Seite

Balkendiagramm Selbstversorgung gesamte BUGA

Unterhalb des Kalenders befindet sich die Visualisierung der Selbstversorgung der BUGA für den gesamten bisherigen Zeitraum. Ein Balken repräsentiert den Gesamtstromverbrauch der BUGA. Die Färbung des Balkens zeigt, wie viel Prozent des Stromverbrauchs durch die PV-Anlage abgedeckt werden konnte. Über ein Tooltip wird der genaue Wert des Selbstversorgungsgrads in Prozent angezeigt. Unter dem Balken befindet sich die Legende des Selbstversorgungsgrades und darunter die Liste der Veranstaltungen.

Histogramm Strombilanz und Selbstversorgungsgrad

Das Histogramm zeigt die stündliche Strombilanz und den stündlichen Selbstversorgungsgrad. Die y-Achse repräsentiert die absolute Bilanz. Die Balken sind dem stündlichen Selbstversorgungsgrad entsprechend eingefärbt. Im Tooltip werden die exakten Werte angezeigt.

Diagramm Stromerzeugung, -verbrauch und -bilanz

Auf der rechten Seite werden im mittleren Diagramm die stündlichen Werte der Stromerzeugung, des Stromverbrauchs und der Strombilanz visualisiert. Die Stromerzeugung ist als türkisfarbenes Flächendiagramm auf der positiven y-Achse dargestellt, der Stromverbrauch als blaues Flächendiagramm auf der negativen y-Achse. Um die Strombilanz deutlicher als die Differenz zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch hervorzuheben, wurde die Idee verworfen, sie als zusätzliche Fläche einzuzeichnen. Stattdessen wurde sie als pinke Linie dargestellt. Über ein Tooltip können auch die genauen stündlichen Werte abgerufen werden.

Flächendiagramm Sonneneinstrahlung

Im unteren Diagramm wird die Sonneneinstrahlung in W/m2 als Fläche dargestellt. Die Fläche ist je nach Stärke der Sonneneinstrahlung mit einem sequenziellen Farbschema eingefärbt. Je stärker die Einstrahlung in der jeweiligen Stunde ist, desto oranger ist die Fläche gefärbt (Doppelcodierung). Da die drei Diagramme die gleichen Zeitachsen besitzen und direkt untereinander angeordnet sind, können sie leicht miteinander verglichen werden.

Ein kleiner Disclaimer am unteren Rand des Dashboards weist auf das Problem der teilweise fehlenden stündlichen Daten der PV-Anlage hin. Darüber hinaus wird in den Tooltips darauf hingewiesen, falls zur jeweiligen Stunde Daten der PV-Anlage fehlen und der Wert auf 0 gesetzt wurde.

Implementierung

Das Dashboard wurde als Webanwendung mit HTML und CSS entwickelt, wobei das JavaScript-Framework D3 zur Erstellung der Visualisierungen eingesetzt wurde. D3 wurde gewählt, da es eine breite Palette an Funktionen bietet und es ermöglicht, die Diagramme auf individuelle Weise zu gestalten. Darüber hinaus bietet D3 umfangreiche Dokumentationen zu verschiedenen Visualisierungstechniken, die die Entwicklung erleichtern.

Um die Interaktivität und Dynamik des Dashboards zu verbessern, wurde das clientseitige Webframework Vue.js mit dem MVVM-Muster verwendet. Vue.js wurde gewählt, da es im Vergleich zu anderen Frameworks wie AngularJS leichter zu erlernen ist und eine effiziente Datenbindung ermöglicht. Durch die Kombination von Vue.js mit D3 konnten wir eine benutzerfreundliche und reaktionsschnelle Benutzeroberfläche schaffen.

Insgesamt ermöglichte die Kombination aus HTML, CSS, D3 und Vue.js die Entwicklung eines leistungsfähigen Dashboards, das dem Nutzer eine einfache Handhabung, Exploration und Interaktion mit den Daten bietet.

Erkenntnisse

Auswirkungen der Sonneneinstrahlung auf die Stromerzeugung

Mithilfe des Dashboards lassen sich Zusammenhänge besser erkennen. Die Stromerzeugung mit der PV-Anlage ist stark abhängig von der Sonneneinstrahlung. An Tagen, an denen die Sonne nur wenig oder nicht intensiv scheint, wird deutlich weniger Strom produziert als an sonnigen Tagen mit intensiver Sonneneinstrahlung. Dies ist deutlich an den stark ähnelnden Extremstellen des Flächendiagramms der Stromerzeugung und des Sonneneinstrahlungsdiagramms zu erkennen.

Zu Beginn des Projekts war die Frage, ob an Wochenenden, an denen oft mehr Veranstaltungen stattfinden, wohl mehr Strom verbraucht wird als an Wochentagen mit wenig Veranstaltungen. Das Dashboard zeigt jetzt, dass nur teilweise und nur sehr geringe Unterschiede zu erkennen sind. Oft ist in den Mittagsstunden ein höherer Stromverbrauch festzustellen. Insgesamt gab es nur geringe Unterschiede, die BUGA hat einen Grundstromverbrauch mit kleinen Abweichungen.

Die Auswirkungen von Wetterepisoden mit intensiver Sonneneinstrahlung

Vor allem die Auswirkungen von langen Wetterepisoden mit intensiver Sonneneinstrahlung sind gut zu erkennen. Anfang Mai war das Wetter etwas wechselhafter. Gegen Ende Mai gab es eine längere, sehr heiße und sonnige Phase. An diesen Tagen lässt sich im Kalender ein deutlich besserer Selbstversorgungsgrad erkennen und auch im Strombilanz-Histogramm erkennt man deutlich intensiv grünere Phasen zu den Mittagszeiten.

Die Auswirkung von fehlenden Daten der PV-Anlage

Die Datenausfälle der PV-Anlage zeigen deutliche Auswirkungen auf den Selbstversorgungsgrad. Im oberen Bild sind die Tage vom 26. Mai bis 30. Mai ausgewählt. Die fünf Tage lagen in einer sonnigen Wetterphase, was im Sonneneinstrahlungsdiagramm deutlich zu erkennen ist. Am 28. Mai lieferte die PV-Anlage jedoch nachmittags drei Stunden keine Daten. Der Einbruch ist im Stromerzeugungsdiagramm deutlich zu erkennen. Dieser Ausfall hat direkten Einfluss auf den Selbstversorgungsgrad. An den restlichen vier Tagen lag dieser immer zwischen 52 und 60 Prozent, am 28. Mai nur bei 41 Prozent. Leider treten die Datenausfälle der PV-Anlage häufiger auf. Ohne diese Ausfälle könnte der Selbstversorgungsgrad der gesamten BUGA womöglich über 38 Prozent liegen.

Fazit

Nach umfangreicher Arbeit und vielen Überlegungen, die in dieses Projekt geflossen sind, können wir sagen, dass wir größtenteils unsere Ziele erreicht haben. Das entwickelte Dashboard erfüllt seinen Zweck, indem es eine visuell ansprechende und intuitive Plattform bietet, um Daten über den Selbstversorgungsgrad der Bundesgartenschau (BUGA) zu präsentieren. Trotz der verworfenen Features wie Erläuterungen zum Stromverbrauch und einer Karte aller Stromzähler, ist das endgültige Produkt funktional und nützlich.

Die implementierten Visualisierungen ermöglichen eine detaillierte und umfassende Analyse der verschiedenen Aspekte des Stromverbrauchs und der Stromerzeugung. Die Verwendung von Farbschemata und verschiedenen Diagrammtypen hat dazu beigetragen, die Informationen leicht verständlich zu machen. Wir glauben, dass unser Dashboard dazu beitragen kann, ein besseres Verständnis für die Nutzung und Produktion von Energie innerhalb der BUGA zu schaffen.

Ausblick

Was die Zukunft angeht, sehen wir einige spannende Möglichkeiten für die Weiterentwicklung dieses Dashboards. Zunächst könnte man die in der Prototyp-Phase verworfenen Features, wie Erläuterungen zum Stromverbrauch und eine Karte aller Stromzähler, wieder aufnehmen und integrieren. Diese könnten dazu beitragen, ein noch umfassenderes Bild der Energieverhältnisse innerhalb der BUGA zu geben.

Ein weiterer interessanter Schritt wäre die Einbeziehung von Prognosefunktionen, die auf der Analyse historischer Daten basieren. Dies würde es uns ermöglichen, Trends zu erkennen und Prognosen für zukünftige Zeiträume zu erstellen, was wertvolle Einblicke in die Effizienz und Nachhaltigkeit der BUGA liefern könnte.

Abschließend sind wir mit den erreichten Ergebnissen sehr zufrieden. Die Arbeit an diesem Projekt hat uns wertvolle Erfahrungen und Einblicke in die Welt der Datenvisualisierung und -analyse sowie in den Umgang mit erneuerbaren Energien gegeben. Wir freuen uns darauf, diese Erfahrungen in zukünftige Projekte einfließen zu lassen und unser Dashboard weiter zu verbessern.