Leistungseinsparpotentiale elektrischer Haushaltsgeräte durch den koordinierten Einsatz smarter Technologien

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1 Leistungseinsparpotentiale elektrischer Haushaltsgeräte durch den koordinierten Einsatz smarter Technologien Ernst Schmautzer, Maria Aigner 1, Lothar Fickert, Mihai-Octavian Anaca 2 Institut für Elektrische Anlagen, TU Graz, Inffeldgasse 18, 8010 Graz, schmautzer@tugraz.at, maria.aigner@tugraz.at, lothar.fickert@tugraz.at, m.anaca@student.tugraz.at Kurzfassung: Der Laststeuerung in Einzelhaushalten in Smart Grids kommt in Hinblick auf Spitzenlastvermeidung, Effizienzsteigerung, Einsparpotentialen und der daraus erwarteten Energie- und Kostenersparnis für Kunden und die vorgelagerten Verteilnetzbetreiber ein immer höher werdender Stellenwert zu. Neben dem Smart Meter, das einerseits die Schnittstelle zwischen dem vorgelagerten Verteilnetz und den zentralen Erzeugern und andrerseits die zentrale Datensammelstelle für den Verbraucher darstellt bzw. darstellen soll, besteht ein Bedarf an smart-grid-ready Endgeräten. Diese Endgeräte, vorwiegend im Bereich der Wärme- und Kälteprozesse (z.b. Kühl- bzw. Gefriergeräte, Geschirrspülmaschinen, Waschmaschinen und Wäschetrockner, Heizungs- und Umwälzpumpen, Wärmepumpen, Klimageräte, ), eignen sich für eine zeitliche Verschiebung, Unterbrechung und Rollierung der elektrischen Energie. Die geeignete messtechnische Erfassung der Gesamtlast bzw. der relevanten Einzellasten (Lastgruppen) sind die Basis zur Kostenoptimierung und liefern einen zusätzlichen Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz wobei netzseitige und verbraucherseitige Einsparungen im Einzelhaushalt zu unterscheiden sind. Dies bedingt jedoch, dass der Kunde bereit ist auf neue lastmanagementbasierte Prozesse umzusteigen. Um die verbraucherabhängigen Einsparpotentiale zu lukrieren müssen anwenderorientierte, identifizierbare Geräte und Managementsystem entwickelt werden, da sonst nur die gerätetechnisch realisierbaren Einsparpotentiale übrig bleiben. Keywords: Laststeuerung, Smart Grid, Haushalt, Leistungseinsparpotentiale, Demand Side Management 1 Jungautorin: maria.aigner@tugraz.at, Institut für Elektrische Anlagen / TU Graz, Inffeldgasse 18/I, 8010 Graz, Tel.: +43 (0) , Fax: +43 (0) , 2 Jungautor: m.anaca@student.tugraz.at, Institut für Elektrische Anlagen / TU Graz, Inffeldgasse 18/I, 8010 Graz, Tel.: +43 (0) , Fax: +43 (0) , Seite 1 von 9

2 1 Einleitung Der Stromverbrauch in Haushalten und hier im Besonderen die gewünschte Leistung unterliegt dem Lebensrhythmus der Menschen mit starken tageszeitlichen und jahreszeitlich (klimabedingten) Schwankungen [1]. Da die elektrische Energie im Wesentlichen zum angeforderten Zeitpunkt erzeugt und bereitgestellt werden muss und eine Speicherung nur in sehr geringem Ausmaß möglich ist (Pumpspeicherung, Druckluftspeicher, Batterien, ), ist es aus ökonomischen und ökologischen Gründen sinnvoll Erzeugung und Verbrauch mit möglichst geringem Kraftwerkseinsatz optimal aufeinander anzupassen. In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage nach einer Abschätzung des in der Praxis zu erwartenden Potentials für Laststeuerung (Demand-Side-Management, DSM) in privaten Haushalten, insbesondere deshalb, weil zu vermuten ist, dass die oft genannte Höhe der Leistungssparpotentiale der einzelnen Verbrauchsmittel in den Haushalten zu optimistisch, d.h. zu hoch eingeschätzt wird [2, 3] und daher eine Überbewertung der ökonomisch verwertbaren Potentiale die Folge ist. Zusätzlich ist die Frage zu beantworten wie hoch das realisierte DSM-Potential verteilt über einen Tag (z.b. in 1-h- oder ¼-h-Schritten) ist, da sowohl die Erzeugung als auch der Verbrauch elektrischer Energie tageszeitlich stark unterschiedlich ist. Tagesmittelwerte der DSM-Sparpotentiale sind auf Grund des Leistungsgangs der elektrischen Energie nicht anwendbar. 2 Methode 2.1 Abschätzung der für die Laststeuerung zur Verfügung stehenden Zahl der Geräte Um das praktisch verfügbare Leistungseinsparpotenzial für Haushaltsgeräte zu bestimmen wird in einem ersten Schritt vom theoretisch maximalen verfügbaren Potenzial, das sich aus der Zahl der im Einsatz befindlichen Geräte ergibt, ausgegangen und in einem zweiten Schritt die für ein DSM tatsächlich zur Verfügung stehende Zahl der Haushaltsgeräte ermittelt. Die Zahl der tatsächlich theoretisch zur Verfügung stehenden Haushaltsgeräte ergibt sich dabei z.b. aus der Zahl der Haushalte und dem Ausstattungsbestand q HG je Haushalt (siehe Tabelle 1). Haushaltsgeräte Haushalte in Österreich mit Einwohnern Quelle Statistik Austria 2003 Ausstattungsbestand je Haushalt Geräte Nutzungsdauer Stk./HH Stk. a Fernseher 1, Kühlschränke 1, Elektroherd 1, Waschmaschine 0, Gefriergeräte 0, Mikrowelle 0, Geschirrspüler 0, Wäschetrockner 0, Tabelle 1: Zahl der Haushalte, Ausstattungsgrade mit elektrischen Haushaltsgeräten, Zahl der Großgeräte die theoretisch für ein DSM zur Verfügung stehen [4] Seite 2 von 9

3 2.2 Abschätzung der für eine Laststeuerung zur Verfügung stehenden el. Leistung In [1] wurde im Rahmen eines umfangreichen Projekts untersucht, wie sich der Einsatz der unterschiedlichen Haushaltsgroßgeräte über den Tag verteilt. Dabei ist zu beachten, dass sowohl regionale (Bundesland, Stadt, Österreich) als auch zeitliche (Winter-, Sommerhalbjahr, Wochentag) für die real zur Verfügung stehenden DSM-Potentiale unterschieden werden müssen. Abbildung 1 zeigt beispielhaft den Anteil verschiedener Haushaltsgeräte am Lastgang eines Durchschnittshaushalts für einen mittleren Wochentag im Winterhalbjahr in der Steiermark im 1-h-Raster. Der Vergleich von Lastgangkurven zeigt deutliche Unterschiede so dass geschlossen werden kann, dass kaum eine realistische Aussage über die Einsparpotentiale getroffen werden kann, wenn diese lokalen und tages- und jahreszeitlichen Unterschiede der zur Verfügung stehenden Einsparpotentiale nicht berücksichtigt werden. So ergeben sich deutliche Unterschiede im Lastgang zwischen ländlichen und städtischen Versorgungsgebieten, auch ein Unterschied zwischen westlichen und östlichen Bundesländern in Österreich ist bemerkbar. Abbildung 1: Anteil unterschiedlicher Haushaltsgeräte (Dienstleistungen) am Lastgang eines Durchschnittshaushalts, mittlerer Wochentag, Steiermark links: Sommerhalbjahr, rechts: Winterhalbjahr 2.3 Grundlagen zur Ermittlung der für die Laststeuerung zur Verfügung stehenden Leistung für zeitlich begrenzte Lasten Typisch für Prozesse in einem Haushalt ist, dass sie mit einem bestimmten Energieverbrauch charakterisiert werden können, dass sie bestimmte Lastgangscharakteristiken aufweisen und dass sie zu einem bestimmten Zeitpunkt abgeschlossen sein müssen. Steht für die Laststeuerung ein größerer Toleranzzeitraum t Tol zur Verfügung als ihn die Prozessdauer t Last darstellt, können Haushaltsprozesse zeitlich verschoben werden und somit die Lastgangkurve (eines Haushalts bzw. eines Stromversorgungsunternehmens) durch positive und negative Zusatzlasten beeinflusst werden. Bestimmte Lasten lassen sich somit zeitlich verschieben wobei aber zu beachten ist, dass die benötigte Energie gleich bleibt, da sie prozessabhängig ist (z.b. benötigt man zum Waschen von 4 kg Trockenwäsche eine bestimmte Energiemenge die geräte- und prozessabhängig ist ein Einfluss auf die benötigte Energie ist bei gleichem Prozess und bei gleichem Verbrauchsmittel nur durch Reduktion etwaiger Verluste im vorgelagertem Netz erzielbar). Dabei ist zu beachten, dass auf Grund des Prozesses (Waschen, Geschirrspülen, Kochen, Kühlen, ) zeitlich unterschiedlich begrenzte Lasten mit bestimmten Vorlauf-, Prozess- und Nachlaufzeiten zu Seite 3 von 9

4 beachten sind. Der Zeitraum, in dem die Last verschoben werden kann (Tag, Nacht, 6:00 Uhr 22:00 Uhr, ) wird als Toleranzzeitraum t Tol bezeichnet, t ges stellt den gesamten Beobachtungszeitraum (z.b. 0:00 Uhr 24:00 Uhr) dar. Alle Verbrauchsmittel die zum Anfangszeitpunkt der Toleranzzeit freigegeben werden gleichmäßig verteilt über die Stunden der Toleranzzeit gestartet. Die letzten Geräte beginnen ihren Prozess t Last +t Puf vor Ende der Toleranzzeit. In der Abbildung 2 sind die zeitlichen Parameter zur Berechnung der Reserveleistung visualisiert. Abbildung 2: Parameter zur Berechnung der Reserveleistung Ein Prozess benötigt eine bestimmte Dauer t Last wobei der Startzeitpunkt innerhalb der Toleranzzeit t Tol verschoben werden kann, um positive oder negative Laststeuerungs- (Verschiebungs-)effekte auf den Gesamtlastgang zu erzielen. Dabei sind unerwünschte Kumulationseffekte, wie sie z.b. bei der bekannten Rundsteuerung beobachtet werden und die durch das gleichzeitige Einschalten vieler Einzellasten entstehen können, zu vermeiden. Der Anteil der Geräte q Last die in Betrieb sind kann somit wie folgt bestimmt werden: q Last t t Last ges Der Anteil der Geräte q Ber die noch nicht im Betrieb sind und die noch zugeschaltet werden können kann wie folgt bestimmt werden: q Ber ( t t t ) Tol Last Puf 2 t ges Die positive Reserveleistung P pos sowie die negative Reserveleistung P neg kann mit der Anzahl der Geräte N sowie der abgerufenen Leistung P n je Gerät wie folgt bestimmt werden: Pein qlast. N. Pn P q. N. P aus Ber n Bei der praktischen Nutzung der DSM-Potentiale ist zu beachten, dass die maximale Reserveleistung nur einen bestimmten Zeitraum aufrecht erhalten werden kann (t Puf ), es Seite 4 von 9

5 muss also immer genügend Zeit bleiben damit auch das letzte abgerufene Verbrauchsmittel seinen Prozess noch zu Ende führen kann. Es muss beachtet werden, dass mit Hilfe von Laststeuerungsmaßnahmen (DSM-Maßnahmen) nur die Last (bereitzustellende bzw. nachgefragte elektrische Leistung) beeinflusst, d.h. zeitlich verschoben werden kann und Energieeinsparungen kaum erzielbar sind. 2.4 Praktisch zur Verfügung stehende DSM-Leistung für typische zeitlich begrenzte Lasten im Haushalt In der folgenden Abbildung 3 sind beispielhaft für die maximal in jedem 1-h-Fenster zur Verfügung stehende DSM-Leistung und die in der Praxis verfügbare positive und negative Reserveleistung dargestellt. Verbrauchsmittel (Gerät) Einschaltleistung aller Geräte Ausschaltleistung aller Geräte Geschirrspülmaschinen N = Stk P N = 0,97 kw/stk t ges = 14 h t Tol = 6 h t Last = 1 h t Puf = 1 h Waschmaschinen N = Stk P N = 0,5 kw/stk t ges = 14 h t Tol = 7 h t Last = 2 h t Puf = 2 h Wäschetrockner N = Stk P N = 0,9 kw/stk t ges = 14 h t Tol = 7 h t Last = 2 h t Puf = 2 h Wärmepumpen N = Stk P N = 0,03 kw/stk t ges = 24 h t Tol = 24 h t Last = 6 h t Puf = 6 h Seite 5 von 9

6 Gerät (Verbrauchsmittel) Einschaltleistung aller Geräte Ausschaltleistung aller Geräte Gefriergeräte N = Stk P N = 0,15 kw/stk t ges = 24 h t Tol = 12 h t Last = 4 h t Puf = 2 h Kühlschränke N = Stk P N = 0,1 kw/stk t ges = 24 h t Tol = 12 h t Last = 2 h t Puf = 2 h Abbildung 3: Darstellung der insgesamt zur Verfügung stehenden DSM-Leistung P ges der praktisch nutzbaren zuschaltbaren oder abschaltbaren DSM-Leistung (P ein und P aus ), aufgeteilt nach ausgewählten Verbrauchern Man erkennt dass theoretisch zwar große Potentiale vorhanden sind (P ges ) aber nur ein kleiner Prozentsatz über den Tag verschoben als DSM-Leistung nutzbar ist (P pos und P neg ). Die Ergebnisse hängen, wie ersichtlich, stark von den gewählten Systemzeiten (t ges, t Tol, t Last, t Puf ) ab. Somit ist ersichtlich, dass zukünftige Tariffenster und Geräteentwicklungen einen großen Einfluss auf den erzielbaren Nutzen haben. Der kumulierten Darstellung in Abbildung 4 kann man die zu erwartende Gesamtleistung verteilt in 1-h-Mittelwerten über den Tag entnehmen. Theoretischen Gesamtpotentialen in Österreich in der Höhe von ca. 600 MW stehen praktisch realisierbare Schaltpotentiale in der Höhe von ca. 150 MW zwischen 09:00 und 15:00 gegenüber. Die Einsparpotentiale zu anderen Zeiten sind auf Grund der Nutzungscharakteristik geringer. Bei den Schaltpotentialen im Bereich der Gefriergeräte ist zu beachten, dass bereit Gefriergeräte mit einem erhöhten Kältespeicher der Berechnung zu Grunde gelegt wurden. Seite 6 von 9

7 Abbildung 4: Kumulierte Darstellung der zeitlichen Verteilung der insgesamt zur Verfügung stehenden DSM-Leistung P ges der nutzbaren zuschaltbaren oder abschaltbaren DSM-Leistung (P ein und P aus ) 3 Kundenseitige (dezentrale) Einsparpotentiale Abhängig vom Prozess (Kühlen, Waschen, Trocknen, Geschirrspülen) ist eine unterschiedliche Bereitschaft der Kunden zu erwarten an DSM-Programmen teilzunehmen. Die Ergebnisse zeigen, dass ein durchschnittlicher Verbraucher nur mit sehr geringen Energieeinsparungen rechnen kann und dass daher neue Tarifmodelle, die Lastgang berücksichtigen, einen Anreiz geben müssen, um die Bereitschaft zu erhöhen, an DSM- Programmen teilzunehmen. Wie ersichtlich ist, ist aber nur mit geringen Kostenvorteilen für den Haushaltskunden zu rechnen, die zudem nur zu ganz bestimmten Zeiten lukriert werden können. Zu beachten ist jedoch, dass leistungsorientierte Tarifmodelle, wie Beispiele aus Industrie und Gewerbe zeigen, stark in den Dienstleistungsprozess eingreifen - der Haushaltkunde muss seine Geräte (z.b. Waschmaschine, Geschirrspüler) für das DSM Seite 7 von 9

8 vorbereiten und freigeben und ist u.u. nicht vor Ort, wenn diese Prozesse abgerufen werden, hier sind gegebenenfalls noch versicherungstechnische Fragen zu klären. Viele der Prozesse im Haushalt sind aber (noch) nicht für ein ausgedehntes DSM geeignet, so können Kochprozesse nur mit prozessintegrierten DSM-Algorithmen zufriedenstellend gesteuert werden, Wasch- und Wäschetrockenprozesse sind äußerst kritisch hinsichtlich der Prozessdauer und dem Prozessende, Kühl- und Wärmeprozesse erfordern bauliche Maßnahmen und an das Tarifmodell angepasste Kälte- und Wärmespeicher. Die Messung der Verbraucherlasten mit geeigneten Messintervallen, die Identifikation der Verbraucher entweder durch lastgangseitige Mustererkennung oder automatische Anmeldung der Geräte (DSM- oder smart-grid-ready Geräte) sowie eine geeignete Zahl von Schaltkanälen, die vom Netzbetreiber oder vom verbrauchereigenen Lastmanagement bedient werden, sind die Voraussetzung die Leistungssparpotentiale zu realisieren. Ohne Geräteidentifikation verbleiben im Wesentlichen nur Anwendungen mit Wärme- und Kälte(-speicher). Somit wird die Frage der Investitionssicherheit für den Haushaltskunden und den Stromversorger noch vor dem großflächen Einsatz dieser Technologien zu beantworten sein. Als bewährte Alternative und Schwerpunkt sind daher die bekannte Stromverbrauchsreduktion und Effizienzsteigerung bei Verbrauchsmitteln zu sehen, die auch hinsichtlich der Verwendung kaum einen störenden Einfluss auf den Komfort und somit den Verbraucher haben. 4 Netzseitige (zentrale) Einsparpotentiale Da DSM-Maßnahmen in der Regel zu einem ausgeglichenen Lastfluss im Nieder- und auch im Mittelspannungsnetz führen, kann von einer Reduktion der benötigen Leistung und somit auch der Verluste in diesen Netzen ausgegangen werden. Es ist zu beachten, dass die Verluste von der übertragenen Scheinleistung und den Leitungsimpedanzen und somit vom Auslastungsgrad und vom Netzausbauzustand, der Netzstruktur bzw. den verwendeten Netzkomponenten (Trafo, Kurzschlussspannung, Leiterquerschnitte, Kabel, Freileitung, ) abhängig sind. Detaillierte Untersuchungen der Verlustreduktion in einzelnen Abzweigen von Niederspannungsanlagen sind noch durchzuführen um auf die tatsächlichen Einsparpotentiale schließen zu können. 5 Zusammenfassung Will man daher durch gezieltes Last- und Energiemanagement die Energieeffizienz in Haushalten steigern sind vorwiegend energieeffiziente Geräte und wirkungsvolle und nachhaltige Anreizsysteme wie z.b. neue zukunftssichere Tarife, smart-grid-ready Endgeräte, angepasste Mess- und Auswertesysteme, Visualisierungseinheiten sowie angepasste Installationen im Haushalt etc. erforderlich um die die vorhandende Energie und die zur Verfügung stehende Leistung (zentral bzw. dezentral bereitgestellt) optimal einzusetzen. Dabei ist zu beachten, dass hinsichtlich der Tarife, der Installation und der im Haushalt besonders langlebigen Investitionsgüter ein hohes Maß an Investitionssicherheit gewährleistet wird. Ist zu erwarten, dass die Tarife und Tarifmodelle laufend geändert werden, müssen die technischen Systeme und Laststeuerungsalgorithmen sehr flexibel und die Haushaltsgeräte für unterschiedliche Prozesse geeignet sein. Um die Komforteinbußen durch Lastmanagementprozesse für den Kunden zu minimieren, können im Rahmen des Seite 8 von 9

9 Lastmanagements verschiedene Strategien angewendet werden deren Vor- und Nachteile im Beitrag beschrieben werden. Zur erfolgreichen Realisierung von technischen und benutzerabhängigen Effizienzsteigerungspotentialen ist ein Kompromiss zwischen den Investitionskosten neuer smart-grid-fähiger Haushaltsgeräte, deren Amortisationszeit und dem reduzierten Bedarf an elektrischer Energie und der damit verbundenen Kostenersparnis zu finden. Neue Mess-, Erfassungs-, Steuerungssysteme (Smart Meter) und smart-grid-ready Endgeräte können die Energieeffizienz im Bereich der Haushalte sowie im Nieder- wie auch Mittelspannungsbereich steigern. Im Beitrag werden realistische Last- und Energieeinsparpotentiale im Bereich elektrischer Haushaltsgeräte aufgezeigt. Nur durch die Einbindung der Hersteller von elektrischen Haushaltsgeräten in die Tarifgestaltung und der daraus resultierten optimierten Laststeuerung wird es möglich sein, den Kunden in den Gesamtprozess erfolgreich einzubinden und die Sensibilität hinsichtlich Energieeinsparen längerfristig zu steigern. Wie gezeigt werden kann sind jedoch die zu erwartenden 1-h-DSM-Einsparpotentiale in Haushalten nur gering. Theoretischen DSM-Einschaltpotentialen von ca. 370 MW bei Waschmaschinen, 70 MW bei Gefriergeräten, 115 MW bei modifizierten Kühlschränken, 160 MW bei Geschirrspülern stehen praktisch realisierbare DSM-Potentiale von 50 MW bei Waschmaschinen, 10 MW bei Gefriergeräten, 10 MW bei modifizierten Kühlschränken und 20 MW bei Geschirrspülern gegenüber. Um diese Situation zu verbessern müssen folglich übergeordnete Strategien entwickelt werden, die einerseits netzseitige wie auch verbraucherseitige Potentiale koordiniert nutzen, (dazu müssen Netzbetreiber, Kunden und auch Gerätehersteller möglichst rasch an einen Tisch gebracht werden und Maßnahmen) und andererseits prozesstaugliche Tarifmodelle mit dem Focus auf Energieeffizienz, Ressourcenschonung, Nutzerkomfort, Einfachheit und Transparenz entwickelt werden smarte Technologien könnten unter Nutzung von detaillierten Mess- und Datenverarbeitungssystemen das koordinierte Management von Leistungsbedarf und Leistungsdargebot übernehmen. Um in Niederspannungsnetzen das tatsächlich realisierbare Ein- und Ausschaltpotential bestimmen zu können, sind weitere detaillierte Analysen hinsichtlich dezentraler Lastmanagementsysteme sowie zukünftiger Entwicklungen auf Seite der Verbrauchsmittel insbesondere im Hinblick auf Wärme- und Kältespeicherung notwendig. Literatur [1] Iskra, R.: Der Stromverbrauch im Haushalt Lastganganalyse und Leistungssparpotentiale. Dissertation, TU Graz, [2] Siemes, P.; Ohrem, S.; Wirtz, F.; Macharey, U.; Meuser, M.; Rohrig, K.: Bewertung der Optimierungspotenziale zur Integration der Stromerzeugung aus Windenergie in das Übertragungsnetz. Aachen: Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft und Forschungsgesellschaft Energie (FGE), [3] Demand Side Management in Haushalten Analyse des praktischen Potenzials zur Bereitstellung von Reserveleitung. Serafin von Roon, Thomas Grobmaier, Malte Huck. 11. Symposium Energieinnovation, Graz, [4] Hausmann, M., Potential thermischer Verfahren zur stofflichen Abfallverwertung. Diplomarbeit, TU Wien, Seite 9 von 9