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Wo steckt noch Lastverschiebepotenzial?

Text: Andreas Becker, Ringo Drexler, Reinhard Janssen, Dr. Jörg Hermsmeier, EWE Foto, Grafik: EWE, BMWi / Dena / Stat. Bundesamt
Die Volatilität erneuerbarer Energiequellen lässt sich teilweise durch eine Steuerung der Stromnachfrage ausgleichen. Zu diesem Zweck könnten Millionen Kühlschränke dienen, die innerhalb der erlaubten Werte ihre Temperaturen vorübergehend absenken oder ansteigen lassen. Die Idee klingt verlockend und funktioniert schon in großen Kühlhäusern, wird aber in Haushalten aus vielerlei Gründen scheitern.

Die Antwort auf die Herausforderungen, die dezentrale Energiequellen wie Photovoltaik-, Windenergie- und Biogasanlagen sowie zukünftig auch eine zunehmende Anzahl an KWK-Anlagen mit sich bringen, sind massive Investitionen in den Netz- und Speicherausbau sowie flexiblere Energiesysteme zur erzeugungsorientierten Nutzung der erneuerbaren Energien. Während Speicher, Netzausbau und Netzverstärkungsmaßnahmen kostenintensiv sind und auf alle Kunden umgelegt werden müssen, bietet eine intelligente Koordinierung von Stromangebot und -nachfrage ein erhebliches Effizienzpotenzial durch die bestmögliche Ausnutzung der vorhandenen Betriebsmittel und Infrastrukturen.

Potenzial in Haushalten

Eine konkrete Handlungsoption zur Einbeziehung von Privathaushalten liefert das Lastmanagement. Bisher finden solche Maßnahmen fast ausschließlich bei Großkunden im industriellen Sektor Anwendung. Da aber mehr als ein Viertel der Gesamtstromnachfrage in privaten Haushalten generiert wird und somit zu erheblichen Lastspitzen beiträgt, bieten sich auch in diesem Umfeld Initiativen zur Ermittlung von Lastverschiebepotenzialen an.

Im Vergleich zum Industriesektor sind private Haushalte vor allem durch ihre große Anzahl und ihre geringen Lasten gekennzeichnet. Der Aufwand für die Vernetzung und Ausstattung von Privathaushalten mit Kommunikationsinfrastruktur und Gerätecontrollern ist somit als das kritische Element für den Einsatz von Lastmanagement-Maßnahmen anzusehen [1].

Theoretisch sind verschiedene Anwendungsmodelle für die Einbindung von Privathaushalten in ein Lastmanagement vorstellbar. Hier sind die klassische Abschaltung, die zeitlich begrenzte Abschaltung oder aber eine Lastreduzierung zu nennen [2]. Die im Privathaushalt vorhandenen elektrischen Geräte können in die Kategorien benutzer-, aufgaben-, und programmgetrieben typisiert werden, wobei nur Lasten bei aufgaben- und programmgetriebenen Anwendungen durch direkte Steuerungsmechanismen verschiebbar sind [1].

Aufgabengetriebene Geräte, wie Geschirrspüler oder Waschmaschinen, erfüllen ihre Funktionen zu individuell eingestellten Zeiten. Die Kontrolle erfolgt hier halbautomatisch, da der Zeitpunkt durch den Nutzer spezifiert werden muss. Programmgetriebene Geräte hingegen, wie etwa Kühlschränke, halten automatisch einen bestimmten Zustand ein. Zusammen sind progamm- und aufgabengetriebene Geräte für etwa 54 % des Stromverbauchs in Haushalten verantwortlich [1,4].

Projekt Forschungsheidi

Lastverschiebepotenzial in Haushalten zu identifizieren und es künftig in eine intelligente Hausautomation einzubinden, war der Grundgedanke des Forschungsprojektes. Folglich waren Lasten zu suchen, die einen relativ hohen Verbauch und somit ein signifikantes Lastverschiebepotenzial aufweisen. Als wesentliches Kriterium galt es zudem, eine externe Steuerung unter Ausschluss von Komforteinbußen zu realisieren.

Beide Anforderungen werden von Kühlgeräten erfüllt. Diese lassen sich innerhalb einer Temperaturspanne bei gleichbleibendem Komfort betreiben, gleichzeitig sind sie für etwa 21 % des Stromverbrauchs in Haushalten verantwortlich. Vorab wurde anhand von Simulationen eine Untersuchung des Lastverschiebepotenzials von Kühlgeräten durchgeführt. Um die theoretischen Ergebnisse zu verifizieren, wurden Kühlgeräte unter einer Reihe von Fragestellungen in Labortests untersucht.Ziel war es herauszufinden:

wie eine Lastverschiebung durch einen externen Fahrplan im Kühlgerät erzeugt werden kann, wie hoch die �?nderung des Energieverbrauchs einer Kühl-/Gefrierkombination und eines Gefrierschrankes bei einer externen Fahrplansteuerung ist, ob eine �?nderung des Geräteverhaltens bei Eigensteuerung und bei Fremdsteuerung unter definierten Laborbedingungen erfolgt und inwiefern Unterschiede zwischen dem Kühl- und Gefrierbereich bezüglich der Lastverschiebung aufgezeigt werden können.

Zur Beantwortung dieser Fragen wurden jeweils eine Kühl-/Gefrierkombination (Energieeffizienzklasse A mit einem Jahresenergieverbrauch von 460 kWh) und ein Gefrierschrank (Energieeffizienzklasse A++ mit einem Jahresenergieverbrauch von 265 kWh ) der Firma Miele einerseits in vollständiger Eigensteuerung und andereseits unter Einflussnahme eines externen vierstündigen Lastabwurfsignals und einer definierten Vorbereitungsphase untersucht. Die aktive Steuerung der Kühlgeräte erfolgte mithilfe von dedizierten Algorithmen des Forschungsinstitutes Offis, die die manuell erstellten Fahrpläne in Temperatur- und Kontrollsignale übersetzte. Als Ergebnis dieser Untersuchungen wurde eine aktive Steuerung der einzelnen Kühl- und Gefrierbereiche durch die Übermittlung einer Soll-Temperaturvorgabe erreicht. Das Delta der Temperaturspanne betrug dabei 3 °C beim Kühlfach sowie 4 °C beim Gefrierfach und Gefrierschrank.

Mittels des Steuerungsalgorithmus konnte so eine maximale Lastabwurfdauer von circa einer Stunde und dreizehn Minuten im Gefrier- und im Kühlfach realisiert werden. Pro Lastabwurftag wurde ferner ein Lastabwurf im Gefrierfach von maximal 30 Wh ermittelt. Betrachtet man das Potenzial der hier untersuchten Kühlgeräte, so beträgt das Lastabwurfpotenzial etwa 0,7 % des durchschnittlichen Energiebedarfs eines Einfamilienhaushalts. Die Tabelle verdeutlicht das kummulierte Lastabwurfpotenzial der getesteten Geräte für den Zeitraum von einem Jahr. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand war die Ermittlung der Verbrauchsänderung der Kühl- und Gefriergeräte im Falle einer externen Steuerung. Die Ergebnisse der Testreihen zeigen, dass der Verbrauch der Geräte auf Grund der Fahrplansteuerung teils signifikant steigt.

Projektergebnisse

Abgesehen von dem geringen Potenzial, das eine Fahrplansteuerung aus energiewirtschaftlicher und technischer Sicht bringt, ist der stellenweise deutliche Mehrverbrauch der Geräte bei derzeitigen Stromabrechnungsmodellen wenig attraktiv für den Endkunden.

Der Mehrverbrauch resultiert einerseits aus den geräteeigenen Optimierungsalgorithmen und andererseits aus der definierten Vorbereitungszeit des Lastabwurfes. Die Kühlgeräte sind ab Werk darauf optimiert, in Abhängigkeit von Beladung und Außentemperatur möglichst energieeffizient zu arbeiten. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass eine Fahrplansteuerung nach energiewirtschaftlichen Prämissen bei gleichzeitiger interner Geräteoptimierung kontraproduktiv für den Gesamtverbrauch der Geräte ist. In der Folge weist das Kühlgerät bei Rückkehr zu seinem internen Optimierungsalgorithmus einen höheren durchschnittlichen Stromverbrauch auf. Durch eine Optimierung des geräteinternen Steuerungsalgorithmus, etwa einer Verkürzung der Vorbereitungszeit vor Lastabwurf, könnte ein effizienteres Lastaufnahmeverhalten angestrebt werden.

Der Mehrverbrauch führt zu einer Situation, die bei gegenwärtigen Abrechnungsmodellen unwirtschaftlich für den Kunden ist. Zwar kann durch die Steuerung der Geräte ein Lastabwurfpotenzial realisiert werden, jedoch ist dieses Engagement mit einem bis zu elf Prozent höherem Gesamtverbrauch verbunden. Gegenwärtige Tarifstrukturen eröffnen wenig Spielraum für eine dynamische Preisgestaltung, die die momentane Leistungsabnahme eines Haushaltes berücksichtigen. Denkbar wäre hier ein Abrechnungsmodell, das nicht nach kWh abrechnet, sondern Strom als Gut betrachtet, das insbesondere dann intensiviert genutzt werden sollte, wenn eine hohe Einspeiseleistung erneuerbarer Energien zur Verfügung steht. Dennoch bleibt auch in diesem Szenario das geringe Lastverschiebungspotenzial der Kühlgeräte ein Hemmnis, das sich in Zukunft weiter verstärkt. Je niedriger der Energieverbrauch der Kühlgeräte - moderne A+++-Gefrierschränke haben beispielsweise einen Jahresverbrauch von 160 kWh - desto geringer ist auch das Lastabwurfpotenzial.

Fazit

Eine abschließende Bewertung für Energieversorger führt zu dem heutigen Standpunkt, dass bei Kühl- und Gefriergeräten kein relevantes Lastverschiebepotenzial vorhanden ist. Um dessen ungeachtet das Potenzial von Kühlgeräten im Haushalt für Lastverschiebung zu optimieren, müssten zum einen die externe Fahrplansteuerung als auch von den Kühlgeräteherstellern die geräteeigenen Steuerungsalgorithmen modifiziert, optimiert und aufeinander abgestimmt werden.

Zum anderen könnte hinsichtlich des Aufwands für Kommunikationsinfrastruktur und Gerätekontrollern eine Ausweitung des Lastabwurfpotenzials durch die Einbindung weiterer Haushaltsgeräte erfolgen. In Frage kommende Geräte müssen mit Kommunikationsschnittstellen ausgestattet werden, über die diese einfach und abstrakt angesprochen werden können (Last aufnehmen/abwerfen). Wobei zu beachten ist, dass die einzubindende Kommunikationsinfrastruktur und Gerätecontroller zu weiteren Mehrverbräuchen führen und somit die Gesamtbilanz negativ beeinflussen. Für diese Punkte gilt es an andere Stelle zu untersuchen und auszuloten, welche Haushaltsgeräte tatsächlich das Siegel „Smart Grid Ready“ verdienen.

Weitere Informationen

[1] Sonnenschein, M. und Lünsdorf, O. (2009). Lastadaption von Haushaltsgeräten durch Verbundsteuerung. In M. Kurrat, Dezentrale Energiesysteme (S. 71-83). Oldenburg: Forschungsverbund Energie Niedersachsen.

[2] Jungfleisch, A. (03 2011). Integrative Lösungsansätze für ein intelligentes Energiemanagement. Kompakt+ , S. 10-12.

[3] Energieagentur NRW. Abgerufen am 17. 11 2011 von www.ea-nrw.de/_infopool/page.asp?InfoID=4106

[4] Hinrichs, C. (24. Oktober 2008). Untersuchung und Entwicklung von Verfahren zur Desynchronisation adaptiver Kühlgeräte. Von www.christianhinrichs.de/projekte/fridge/Hinrichs2008_MSc.pdf abgerufen

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