SIEMENS

Auf vielen Einfamilienhäusern glitzern heute schwarz-blaue Photovoltaik-Module, auf Hügeln drehen sich Windräder und auch im Meer, etwa in der Nord- und Ostsee, liefern Windparks Strom. Doch Strom aus Sonne und Wind ist ein unstetes Gut. Je nach Wetter schwankt die Erzeugung. Derzeit stammen beispielsweise in Deutschland rund sieben Prozent des Stroms aus Windenergie, knapp zwei Prozent aus Solarenergie. In den vergangenen Jahren kam es immer wieder vor, dass Windparks in der Nordsee bei steifer Brise komplett abgeschaltet werden mussten, damit das Stromnetz lokal nicht überlastet wurde. In anderen Fällen wurde der überschüssige Strom an Nachbarländer abgeführt, obgleich es in besonders stürmischen Nächten kaum Bedarf gab. Der Strompreis wurde dadurch so niedrig, dass man mitsamt Durchleitungsgebühr ein Minusgeschäft machte. Im umgekehrten Fall müssen aber bei Flaute so genannte Spitzenlastkraftwerke hochgefahren werden, was den Strom verteuert.

Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien wird die Belastung des Stromnetzes künftig zunehmen. Nach Angaben der Deutschen Energie-Agentur müssten bis 2020 allein in Deutschland rund 3.600 Kilometer Trassen zugebaut werden, um den Strom in die Verbrauchszentren zu transportieren. Doch auch das wird nicht reichen. Die Netze müssen zusätzlich „intelligenter“ werden – für höhere Transparenz, flexiblere Preise und um den Strom besser verteilen zu können (Pictures of the Future, Herbst 2009, Neue Stromnetz knüpfen). Diskutiert werden auch neue Stromspeicher, die bei Wind und Sonnenschein das Zuviel an Strom aufnehmen und bei Flaute und Regen wieder abgeben. Zudem könnten künftig auch Elektroautos in Summe als ein gigantischer Pool aus vielen kleinen Batterien wirken: Die Batterien in zwei Millionen Elektroautos haben in etwa einen Energieinhalt von 40 Gigawattstunden – so viel, wie alle deutschen Pumpspeicherkraftwerke derzeit speichern können.

Verbrauch folgt Produktion. Doch es zeichnet sich noch ein ganz anderer Baustein im Mosaik der Lösungen ab. Hierfür wäre nicht viel mehr als eine ausgeklügelte Software nötig. „Lastverschiebung“ heißt das Zauberwort. Die Idee besteht darin, elektrische Verbraucher, also Lasten, in Gebäuden so zu steuern, dass sie vor allem dann auftreten, wenn Windräder und Photovoltaik-Module Strom im Überfluss liefern, denn dann ist der Strom billig. Bei Dunkelheit oder Flaute würden sich die elektrischen Geräte, soweit möglich, hingegen abschalten. Das wäre ein Paradigmenwechsel, denn heutzutage richten Gas- und Kohlekraftwerke ihre Erzeugung am Verbraucher aus, an dem, was Haushalte, Fabriken und Büros benötigen. Künftig wäre es genau umgekehrt. Die Gebäude würden ihren Stromverbrauch nach dem Energieangebot ausrichten: Der Verbrauch folgt also der Produktion.

Dass sich in verschiedenen Gebäudetypen eine Reihe technischer Anlagen relativ flexibel aus- und wieder einschalten lassen, haben Forscher der Technischen Universität München (TUM) in Kooperation mit Siemens Building Technologies herausgefunden. Die Experten haben dazu mehrere Monate lang die Daten aus Gebäudeleitzentralen aufgezeichnet, die Stärke der Lüftung, die Aktivität von Wasserpumpen oder die Messwerte von Temperaturfühlern in den Räumen. Wie schnell heizt sich etwa ein Büro in Leichtbauweise auf, wenn man die Gebäudekühlung abschaltet? „Für uns war die entscheidende Frage, wie lange man bestimmte Geräte abschalten kann, ohne dass sich der Komfort in den Räumen verschlechtert“, sagt Timm Rössel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Bauklimatik und Haustechnik der TUM. Gemäß deutscher Industrie-Norm sollte etwa die Temperatur in einem Büro nicht unter 21 Grad Celsius sinken, damit es behaglich bleibt. Vier verschiedene Gebäudetypen haben Rössel und sein Kollege Johannes Jungwirth vom Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik für ihre Studie analysiert – Büro- und Verwaltungsgebäude, Krankenhäuser, Schwimmbäder und Schulen.

Vor allem in Bürogebäuden ist das Lastverschiebungspotenzial hoch. So lässt sich etwa die Lüftung in normal besetzten Büros bis zu einer halben Stunde komplett abschalten, ohne dass es stickig wird. Eine Maßnahme, die mehrmals am Tage wiederholt werden kann. Ähnliches gilt für die Lüftung in Tiefgaragen. Die Forscher untersuchten auch, wie oft und vor allem wie schnell die Aufzüge in Bürogebäuden fahren. Abgesehen von den Stoßzeiten morgens und abends lässt sich die Geschwindigkeit für mehrere Stunden täglich drosseln, was den Strombedarf um rund zehn Prozent reduzieren kann. Wie sich zeigte, nehmen die Nutzer das verringerte Tempo nicht als störend wahr.

Ist in einem Gebäude eine Brauchwasseranlage installiert, die zum Beispiel die Toilettenspülung versorgt, ergibt sich eine weitere Möglichkeit, Lasten zu verschieben. Die Pumpen, mit denen die Brauchwassertanks gefüllt werden, können mit bis zu 12 Stunden Verspätung angeworfen werden, ohne dass sich die Tanks vorzeitig leeren. Im Krankenhaus wiederum sind die Aufzüge sowie die Reinigungs- und Sterilisationsgeräte für Operationsbesteck von Interesse. Das größte Lastverschiebungspotenzial in Hallenbädern bieten die Kompressoren der Luftentfeuchtungsanlage, die sich gar für mehrere Stunden abschalten lassen. Auch die Ozon- und UV-Anlagen für die Wasserreinigung lassen sich für Stunden herunterfahren.

„Die Ergebnisse der Studie sind für uns wichtig, denn sie belegen, dass sich in größeren Gebäuden in der Summe ein lohnendes Lastverschiebungspotenzial ergibt“, sagt Joachim Kiauk, der als Projektleiter bei Siemens Building Technologies (BT) im schweizerischen Zug für die Studie verantwortlich war. „Im Klartext bedeutet das, dass Siemens gemeinsam mit der TUM jetzt Software-Werkzeuge entwickelt, mit denen sich Gebäudeleittechnik künftig nach dem Stromangebot steuern lässt.“ Seit 2011 sind die Energieversorger in Deutschland verpflichtet, variable Stromtarife anzubieten, die sich im Laufe des Tages gemäß Angebot und Nachfrage ändern. Sehr kurzfristige Preisänderungen aber lässt das System noch nicht zu. Genau das erwarten Experten aber für die nahe Zukunft – einen Strompreis, der sich im Stunden- oder gar Viertelstundentakt ändern kann. In einem solchen Szenario würde die Gebäudeleittechnik bestimmte technische Geräte ausschalten, wenn der Strombedarf hoch ist. Denn dann ist der Strom teuer – etwa in den Abendstunden oder morgens, wenn Fön, Toaster und Heißwasserboiler angeschaltet werden. Dank des aktuellen Strompreissignals wird die Gebäudeleittechnik Pumpen oder Ventilatoren vor allem dann einschalten, wenn Sonnen- und Windstrom ins Versorgungsnetz fluten und der Strompreis sinkt.

Viele Hundert Parameter und Messwerte fließen heute in ein modernes Gebäudeleitsystem ein – etwa die Temperaturwerte aus Büros oder die aktuelle Leistung der Ventilatoren. All diese muss die Lastverschiebungssoftware verknüpfen. Mit Hilfe einer Gebäudesimulation entwickeln die TUM-Forscher jetzt die entsprechenden Rechenvorschriften weiter. „Im Idealfall werden wir diese Algorithmen in bestehende Leittechnik wie etwa unser Desigo-System integrieren können“, sagt Kiauk. In welcher Form das Wissen letztlich in Siemens-Produkte einfließt, steht derzeit noch nicht fest. „Es geht hier zunächst um grundlegende Forschungsarbeit“, sagt Christoph Hielscher, Leiter der Geschäftsentwicklung für Smart Grid Applications bei Siemens Energy. „Unser Ziel ist es, Gebäude intelligent zu machen, sie zu befähigen, selbst zu erkennen, wie schnell sie auskühlen, welchen Heizbedarf sie haben und wann sie welche Geräte entsprechend abschalten können, um Strom zu sparen. Jedes Gebäude hat andere Eigenschaften.“

Lasten abwerfen zum Stromsparen. In den USA ist das Lastmanagement längst Alltag. Im Detail geht es dabei aber weniger um schwankende Stromerzeugung, sondern um den so genannten Lastabwurf, das Load-Shedding. In den USA hat man damit zu kämpfen, dass die Kapazitäten der Kraftwerke und des teilweise betagten Stromnetzes hin und wieder an ihre Grenzen stoßen. Das gilt besonders für heiße Tage, wenn Millionen Amerikaner ihre Klimaanlagen einschalten. Um Versorgungsengpässe zu vermeiden, ist man dazu übergegangen, gezielt Verbraucher abzuschalten, also „Lasten abzuwerfen“.

Privatkunden beispielsweise, die sich dazu bereit erklären, an mehreren heißen Tagen im Jahr ihre Klimaanlage abzuschalten, werden dafür mit günstigeren Stromtarifen belohnt. Entsprechendes gilt für Industriebetriebe oder Kühlhäuser. Heute werden die Verbraucher meist am Vortag via E-Mail oder Telefon benachrichtigt. Dank präziser Wettervorhersagen ist das möglich. Etwa 80 Prozent aller am Load-Shedding beteiligten Kunden werden so direkt informiert. Das klingt aufwändig, doch ist dieser landesweite Call-Center-Service günstiger als der Bau neuer Kraftwerke oder der Ausbau des Stromnetzes.

Mit der Übernahme des US-amerikanischen Lastmanagement-Spezialisten SureGrid will Siemens das Lastmanagement jetzt automatisieren. SureGrid entwickelt dafür Software für Zentralrechner und Kommunikationstechnologien. Der Zentralrechner der Firma SureGrid in Austin im Bundesstaat Texas nimmt die Anfrage eines Stromversorgers nach der benötigten Strommenge entgegen und verteilt diese Gesamtmenge dann automatisch auf alle zugeschalteten Gebäude in der Region. Diese Automatisierung löst auch das Problem der mangelnden Zuverlässigkeit. Wenn der Energieversorger heute per Telefon oder E-Mail um Lastabwurf bittet, ist nämlich keineswegs garantiert, dass der Kunde am Folgetag tatsächlich daran denkt, die Klimaanlage abzuschalten. Die Energieversorger müssen also auf Nummer sicher gehen und mehr Lastabwurf einplanen, als letztlich nötig ist. Dank Automatisierung wird das Lastmanagement künftig kalkulierbarer und sicherer.

Und noch einen Vorteil hätte die Automatisierung. Heute müssen die Energieversorger auf Grundlage von Wetterprognosen etwa einen Tag im Voraus ahnen, wann und wie lange man Lasten abwerfen sollte. Auch hier planen sie einen Puffer ein und bitten die Kunden, ihre Geräte für mehrere Stunden abzuschalten – zumeist länger als nötig. Mit einer Automatisierung ist man wesentlich spontaner, kann unmittelbar vor dem Engpass reagieren und so auch die Dauer des Lastabwurfs verkürzen.

Natürlich unterscheidet sich der US-Energiemarkt deutlich vom europäischen. In den USA dreht es sich um Versorgungsengpässe, in Europa um die schwankende Energieerzeugung durch Wind und Sonne. Doch auch die USA gehen derzeit mit dem automatischen Lastmanagement einen ersten wichtigen Schritt zu mehr Intelligenz im Gebäude und beim Stromverbrauch. „Eine Gebäudeleittechnik, wie die mit dem TUM-Projekt avisierte, die darüber hinaus sehr flexibel auf den aktuellen Strompreis reagiert, wäre der nächste Schritt“, sagt Hielscher. Der Vorteil liegt auf der Hand. Wenn Menschen heute an heißen Tagen ihre Klimaanlage ausschalten, bricht ihnen der Schweiß aus. Ein intelligentes Lastmanagement würde stattdessen eher das Tempo des Fahrstuhls drosseln.