Lastverschiebung in Haushalten, Industrie und Gewerbe / kommunaler Infrastruktur Potenzialanalyse für Smart Grids

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1 Lastverschiebung in Haushalten, Industrie und Gewerbe / kommunaler Infrastruktur Potenzialanalyse für Smart Grids Michael Schmidthaler Andrea Kollmann // Simon Moser // Christian Elbe Energieinstitut an der JKU Linz Graz,

2 1. Das Projekt 1/2 Laufzeit: Mai 2012 bis Mai 2014 Förderung durch KLIEN, 4. Ausschreibung NE2020 Projektkonsortium: 4wardEnergy Research GmbH e7 Energie Markt Analyse GmbH Energieinstitut an der JKU Linz GmbH E-Werke Stubenberg reg GenmbH JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbh; RESOURCES Institut für Wasser, Energie und Nachhaltigkeit Sonnenplatz Großschönau GmbH Stadtwerke Hartberg GmbH Technische Universität Graz Institut für elektrische Anlagen 2

3 1. Das Projekt 2/2 BOTTOM-UP Sektor Haushalt TOP-DOWN Sektoren Industrie und Gewerbe BOTTOM-UP (Case-Study basiert) Kommunale Infrastruktur Identifikation von geeigneten Verbrauchern für Demand-Side-Management (z.b. Geschirrspüler, Kälteanlagen, Erwärmungsprozesse,...) Jahresenergieverbrauch der Sektoren [TWh/a] Analyse und Auswertung vorhandener Daten aus der Gemeinde Großschönau und anderer Anlagen Ø-Leistungsaufnahme der Verbraucher [W] (Realdaten aus Vorstudien der Bewerbergemeinschaft) Identifikation von geeigneten Verbrauchern für Demand-Side-Management (z.b. periphere Anlagen,...) Abgleich der vorhandenen Daten mit Literatur und anderen verfügbaren Fallbeispielen Abbildung des Gesamtprofils aus Verbrauchsdaten (Realdaten aus Vorstudien der Bewerbergemeinschaft) Ø-Endenergieverbrauch der Verbraucher [MWh/a] Mechanische Energie Prozesswärme Prozesskälte Bestimmung des Lastverschiebungspotentials bei den Anlagen der Projektpartner Technische Lastverschiebungsmodellierung Durchschnittliche Tagesnutzung Gleichzeitigkeitsfaktor Verschiebungszeiten & -leistungen Technische Lastverschiebungsmodellierung Durchschnittliche Tagesnutzung Gleichzeitigkeitsfaktor Verschiebungszeiten & -leistungen Technische Lastverschiebungsmodellierung Durchschnittliche Tagesnutzung Gleichzeitigkeitsfaktor Verschiebungszeiten & -leistungen Entwicklung von Cost-Curves aus dem optimierten Gesamtprofil Interpretation des Kosten/Nutzen-Verhältnisses Analyse der rechtlichen Aspekte einer Lastverschiebung 3

4 2. Was ist Lastverschiebung? 1/2 Demand Response: Überbegriff für Vielzahl an Möglichkeiten, wie das Stromverbrauchsverhalten von Endkunden durch ein Signal (monetär aber auch nicht monetär) beeinflusst werden kann zielt auf eine kurzfristige Veränderung des Stromverbrauchs ab. kurzfristig bedeutet dabei Zeitraum, der bis zur Auslösung einer Reaktion anfällt (Zeitraum bis der Kunde informiert ist und dieser Handlungen in Erwartung bzw. Vorbereitung der Lastverschiebung gesetzt hat). Dauer der Verbrauchsbeeinflussung: Sekunden (Beitrag zur Netzstabilität) bis maximal ein Tag (Vermeidung von Spitzenlasten). Demand Response ist von Maßnahmen zu einem energetisch effizienteren Einsatz von Strom zu unterscheiden (strategic conservation). 4

5 Demand Side Management Darstellung nach Gellings und Smith (1989) 2. Was ist Lastverschiebung? 2/2 5

6 3. Lastverschiebungen in Haushalten - Energiebilanz Sektoraler energetischer Endverbrauch von Strom in Österreich (Daten für 2012) Quelle: Statistik Austria,

7 3. Lastverschiebungen in Haushalten Verbrauchskategorien Wie stellt sich der Verbrauch dar? Quelle: Statistik Austria,

8 3. Lastverschiebung in Haushalten Verschiebbare Lasten Elektrogeräte mit thermischen Speichern oder bei denen ohne Komfortverlust Verschiebung möglich ist Klassen von Elektrogeräten (nach Zeilinger, 2011) Klasse 1: Gerät wird bei Bedarf eingesetzt (z.b. Haarfön) Klasse 2: Gerät spult vordefiniertes Programm ab (z.b. Geschirrspüler, Waschmaschine) Klasse 3: Gerät versucht vorgegebenen Zustand zu erhalten (Gerät mit thermischem Speicher) 8

9 3. Lastverschiebung in Haushalten Verschiebbare Lasten Lastverschiebung durch Auswählen des Startzeitpunkts Waschmaschine Wäschetrockner Geschirrspülmaschine Lastverschiebung durch Zu- oder Abschalten des Gerätes Kühlgeräte Gefriergeräte Warmwasser Elektrische Raumwärme 9

10 3. Lastverschiebung in Haushalten Verschiebbare Lasten Waschmaschine Aufheizprozess ist energieintensivste Teil, Dauer bis zu ½ Stunde Verschiebepotential gegeben, wenn Ende des Waschvorgangs frei wählbar ist Hemmnisse: Ruhestörung in der Nacht, Zerknittern der Wäsche, wenn fertige Wäsche zu lange liegt Wäschetrockner Verdampfung von Wasser durch Wärmeeinwirkung ist für Lastverschiebung geeignet Hemmnisse: Trocknungsprozess wird unmittelbar nach Waschung durchgeführt, lange Liegezeit führt zu zerknittern Geschirrspülmaschine Wärmeerzeugung zu Beginn des Prozess und Trocknungsvorgang am Schluss sind energieintensivste Prozesse Hemmnisse: Nutzerabhängigkeit, mögliche Zeitdauer zwischen Einräumen und Einschalten 10

11 3. Lastverschiebung in Haushalten Verschiebbare Lasten Kühl- und Gefriergeräte Gerät selbst und Lebensmittel haben thermischen Speicher so dass Kälte auch bei Abschalten des Gerätes etwa 1 Stunde hält Warmwasser Elektrowarmwasserspeicher: werden bereits durch Rundsteuergeräte in Schwachlastzeiten geschaltet; Lastverschiebung sehr gut möglich Wärmepumpe Lastverschiebung möglich; Größe des Speichers und Isolierung relevant Elektrodirektheizungen Haben keinen thermischen Speicher, Lastverschiebung durch Änderung des Nutzerverhaltens möglich Nachtspeicherheizungen Haben hohe Speicherkapazität und eignen sich für Lastverschiebungen 11

12 3. Lastverschiebung in Haushalten Potential Reales Lastverschiebungspotential in österreichischen Haushalten 12

13 3. Lastverschiebung in Haushalten Marktpotential 100% Alle Haushalte Teilnehmende Haushalte (haben Tarif) Mögliche beitragende Haushalte (Tarif und technisches Potenzial) Beitragende Haushalte (realisiertes Potenzial) 40% Potenzialminderung Free Rider Opportunitätskosten Verzerrung in Feldtests 13

14 3. Lastverschiebung in Haushalten Kosten Kosten sind Fixkosten. Mit einer steigenden Anzahl verschobener kwh sinken die Kosten pro verschobene kwh. Hier: Durchschnittswerte / In der Praxis hohe Varianz. Gerät Kosten/HH/a Waschmaschine, Wäschetrockner, Geschirrspüler, Kühl- und Gefriergeräte (Smart Home) 85 Warmwasser 100 Elektro-Einzelofen E-Direktheizung 0 Nachtspeicher 0 Wärmepumpe 30 14

15 5. Lastverschiebung Hürden 1/2 Bedarf nach Rotem Knopf, mit dem ein Haushalt die Kontrolle über seine Geräte zurückerlangen kann. Verbindlichkeit? Kommunikation zum Haushalt bzgl. Ankündigungsart und -frist (In- House-Displays, Alarmfunktionen bei Lastüberschreitungen, intelligente Haushaltsgeräte und vollautomatische Schaltung einzelner Verbraucher im Haushalt) Kosten für Marketing, Kundeninformation, Automatisierung bzw. Speicherung. Verhältnis Kosten/Nutzen? Organisatorische und systemische Herausforderungen durch Anpassung des Verhaltens. Gelernte und in Folge automatisierte Abläufe müssen neu konditioniert werden. Die zeitlichen Kosten und der verursachte Stress sind als Opportunitätskosten anzusehen. Relation zwischen der Automatisierbarkeit und der Akzeptanz eines flexiblen Tarifs besteht. Automatisierung überall möglich? 15

16 5. Lastverschiebung Hürden 2/2 Flexible Tarife, die eine Lastverschiebung induzieren sollen, sind ein Produkt, das dem Endkunden unbekannt ist. Erwartungen, inwieweit aus dem flexiblen Tarif Nutzen/Kosten erwachsen, spielen eine wesentliche Rolle. 16

17 INDUSTRIE UND GEWERBE Untersuchte Sektoren: Prozessbezeichnung Chemische Erzeugnisse Stahlindustrie NE-Metallindustrie (Alu, Kuper, Zink-Blei) Gießerei Metallbearbeitung - Wärmebehandlung Gartenbau Papierherstellung Zementindustrie 17

18 RELEVANZ? Der elektrische Gesamtenergieverbrauch des produzierenden Gewerbes (2012): 28 TWh Sektor 2012 in MWh 2012 in % Eisen- und Stahlerzeugung Chemie und Petrochemie Nicht Eisen Metalle Papier und Druck

19 LITERATURBASIERTE EVIDENZ Lastverschiebungspotentiale in Industrie und Gewerbe werden mit rund 300 MW (Eigene Berechnung basierend auf Popp und Klobasa, 2013) bis zu 660 MW (Gutschi, 2007) angegeben. Spezifische Kosten von 190 (Papierindustrie) 3600 /Mwh (Gutschi, 2007). In Deutschland bestehende Potentiale wurden bis 2030 abgeschätzt signifikante Zunahme der Bedeutung insbesondere im Licht wandelnder Produktions- und Marktmechanismen. 19

20 KOMMUNALE INFRASTRUKTUREN Werden aktuell auf Basis von bottom-up Erhebungen analysiert. 20

21 ZUSAMMENFASSUNG Haushaltspotentiale technisch vorhanden, Umsetzung basiert auf Verhaltensänderung Gegenstand interdisziplinärer Forschungsprojekte auf EU Ebene Gewerbe und Industrie zeigt teilweise sehr hohe Potentiale bei geringen Kosten, Anreizstruktur ist suboptimal. Kommunale Dienste sind theoretisch verfügbar, sehr heterogene Struktur. V.a. bei intrinsischer Motivation von integrierten Versorgern relevant (Stichwort: energieautarke Kläranlage) Themenfeld wird in Bedeutung steigen (zunehmende Vernetzung und Notwendigkeiten) 21

22 Danke für die Aufmerksamkeit! Kontakt: Dr. Michael Schmidthaler Energieinstitut an der Johannes Kepler Universität Linz GmbH Altenberger Straße Linz Tel: Fax: Schmidthaler@energieinstitut-linz.at 22