SIEMENS

Von Fastfood-Restaurants bis zu hohen Bürotürmen – Gebäude haben die unterschiedlichsten Formen und Größen. Dennoch sind sich die meisten in zwei Punkten sehr ähnlich: einem hohen Energieverbrauch und einem ebenso hohen Potenzial zur Effizienzverbesserung. Laut US-amerikanischen und deutschen Statistiken verbrauchen Wohn- und Gewerbeimmobilien rund 40 Prozent der Primärenergie und sind für 21 Prozent der gesamten CO₂-Emissionen verantwortlich.

Wie viel dieser Energie könnte eingespart werden? „Je nach Gebäude zwischen 25 und 50 Prozent“, sagt Thomas Grünewald, Leiter des Leuchtturmprojekts „High Performance Building“ von Siemens Corporate Technology (CT) und Experte für Energiespartechniken für Gebäude und Städte. Analysen von Siemens Retail & Commercial Systems (RCS), einem US-Unternehmen, das sich auf das Energiemanagement großer Einzelhandelsketten spezialisiert hat, bestätigen seine Aussage. Trotz gestiegener Stromkosten sanken die Energierechnungen der RCS-Kunden dank der von RCS getroffenen Maßnahmen um 15 bis 30 Prozent – angesichts der Tatsache, dass Gewerbebauten 46 Prozent der gesamten von Gebäuden genutzten Energie in den USA verbrauchen, sieht man, wie hoch die Einsparpotenziale insgesamt sind.

Fastfood auf Sparkurs. Auf einem ähnlichen Gebiet wie RCS arbeitet LoadIQ aus Reno, Nevada. Das Start-up wurde vom Siemens Technology-to-Business Center in Berkeley, Kalifornien, finanziert und hat eine Technologie entwickelt, mit der der Energieverbrauch der 70.000 Fastfood-Restaurants in den USA deutlich gesenkt werden könnte. Nach einer Trainingsphase nutzt diese Technik modernste Signalverarbeitung, um Änderungen im Stromver- brauch, die der Stromzähler des Restaurants erkennt, einzelnen Geräten wie Öfen, Friteusen oder Gefrierschränken zuzuordnen. „Sobald ein Gerät an- oder ausgeschaltet wird, prüft das System die Verbrauchsänderung“, erklärt Dr. Hampden Kuhns, CEO von LoadIQ. „Jede Veränderung hat eine eigene Signatur. So sind etwa die Signatur einer 50 Watt (W)-Glühlampe und einer 50-W-Leuchtstofflampe völlig verschieden. Die erste hat einen elektrischen, die zweite einen induktiven Widerstand.“

Trotzdem kann die Identifizierung von Geräten kompliziert sein, weil viele Anwendungen unterschiedliche Stromzyklen haben. „Wir haben aber Möglichkeiten gefunden, sie in ihre Bestandteile zu zerlegen und dann wieder als Signatur für ein bestimmtes Gerät zusammenzufügen“, so Kuhns. „Auf diese Weise können auch einzelne Vorgänge innerhalb eines Geräts erkannt werden, zum Beispiel die energieintensive Wassererwärmung eines Geschirrspülers. In Kombination mit dem Tagesplan eines Fastfood-Restaurants kann unsere Technologie sogar eine ineffiziente Nutzung von Systemen erkennen, etwa wenn bei Tag die Außenbeleuchtung angeschaltet ist.“

Informationen über den tatsächlichen Energieverbrauch eines Geräts werden regelmäßig mit seinem Sollverbrauch und dem von Konkurrenzprodukten verglichen. Gibt es deutliche Diskrepanzen, kann das System von LoadIQ einen Bericht erstellen, der dem Betreiber empfiehlt, das Gerät zu warten oder auszutauschen. 2011 gewann LoadIQ einen Energieeffizienz-Preis in Kalifornien und erhielt eine Förderung im Rahmen der National Science Foundation – die Zeit ist nun reif für die Firma, ihre Technologie in kleineren Gewerbeumgebungen zu testen.

Nicht nur einzelne Unternehmen und Verbraucher müssen ihre Energieeffizienz steigern und ihre Stromkosten senken. In vielen Ländern steht die Stabilität ganzer Stromerzeugungs- und -verteilnetze auf dem Spiel. Um bei hoher Nachfrage einen Netzzusammenbruch zu verhindern, nutzen Stromversorger so genannte Spitzenlast-Kraftwerke, die nur bei Bedarf ans Netz gehen. Da dies jedoch selten der Fall ist, ist ihr Betrieb extrem teuer. Die Folge: Die Strompreise schnellen in die Höhe – mehrere hundert Prozent Steigerung pro Kilowattstunde sind da keine Ausnahme.

„In den USA sind zehn Prozent der gesamten Infrastruktur für Stromerzeugung und Verteilung dem Spitzenlastausgleich vorbehalten, der aber nur ein Prozent der Zeit benötigt wird“, erklärt Dr. George Lo, Automatisierungsexperte bei Siemens CT in Princeton, New Jersey, USA. Um Investitionen in neue Spitzenlastanlagen zu vermeiden, wollen die Energieversorger Verbrauchsspitzen möglichst kappen. „Wenn wir allerdings so weiter machen wie bisher“, sagt Lo, „müssen in den USA in den nächsten zehn Jahren 1.900 neue Spitzenlast-Kraftwerke gebaut werden, um den steigenden Verbrauch auszugleichen.“

Spitzen kappen. Daher werden immer mehr Lösungen entwickelt, um das Problem der Spitzenlastzeiten in den Griff zu bekommen. So senkt beispielsweise die Gebäudeautomatisierungslösung von RCS zum intelligenten Lastmanagement (ILM) nicht nur den täglichen Stromverbrauch – sie kann auch rund um die Uhr auf Strompreisschwankungen und die Marktsignale von Stromversorgern reagieren. Daher sollen nun die Funktionen der Siemens-Gebäudetechnik erweitert werden, um Gebäude künftig in Smart Grids, die intelligenten Stromnetze, einbinden zu können. Dazu werden noch im Jahr 2012 ILM-Funktionen in das Gebäudeautomatisierungssystem Apogee integriert, sodass Tausende von Bauten mit Apogee-Lösungen wie ein einziger Stromverbraucher agieren können. Spitzenlast-Kraftwerke würden dann noch seltener gebraucht. „Wenn viele Gebäude so betrieben würden, gäbe es keine Verbrauchsspitzen mehr, und der Stromverbrauch würde automatisch und in Echtzeit ausgeglichen“, sagt Lo.

Wie das erreicht werden kann, insbesondere bei großen Mehrzweckgebäuden, wollen Energieeffizienz-Experten an der Sutardya Dai Hall, der neuesten Forschungseinrichtung der Universität von Kalifornien in Berkeley (UCB), herausfinden. Sie besitzt ein Automatisierungssystem Apogee von Siemens und dient als Testumfeld für „Building to Grid“-Technologien, beispielsweise einer automatischen Verbrauchssteuerung (Automated Demand Response, ADR). Um eine intelligente Reaktion eines Gebäudes auf Strompreisschwankungen zu gewährleisten, testen CT-Experten von Siemens zusammen mit Kollegen von Siemens Building Technologies hier gemeinsam mit der UCB eine von CT entwickelte „Smart Energy Box“. „Wenn eine Verbrauchsspitze vorhergesagt wird, soll die Box eine Reihe von Szenarien durchgehen – von reduzierter Kühlung und Beleuchtung in nicht kritischen Bereichen bis zu genau abgestimmten, verteilten Maßnahmen, die fast alle Geräte mit Netzanschluss umfassen können. Die Box bezieht Preiserwartungen und Wetterbedingungen mit ein, darunter auch den Sonnenstand im Verhältnis zum Gebäude während des ADR-Ereignisses“, erklärt Lo. „Sie wählt dann das beste Szenario aus und setzt es um.“

Solche automatischen Maßnahmen umzusetzen, ohne dass die Anwesenden im Gebäude beeinträchtigt werden, ist nicht immer einfach. Dafür muss das System aus Tagesabläufen, Gewohnheiten und den Energieprioritäten unterschiedlicher Abteilungen lernen. Die Smart Energy Box klammert die Bereiche aus, in denen der Energieverbrauch aufgrund kritischer oder wichtiger Funktionen nicht angepasst werden darf, und minimiert die Beeinträchtigung durch eine möglichst breite Streuung der Maßnahmen auf viele verschiedene Systeme.

Kern des gesamten Prozesses ist ein Protokoll, mit dem Gebäudeautomatisierungssysteme ADR-Signale von Stromversorgern lesen können. Es wurde vom Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) entwickelt und vor kurzem vom US-Energieministerium übernommen. Dieses OpenADR-Protokoll erfährt schnell immer höhere weltweite Akzeptanz und ist sehr gut als der künftige Standard für „Building to Grid“-Kommunikation vorstellbar. „Das ist enorm wichtig“, sagt Prof. David M. Auslander vom Institut für Maschinenbau der UCB. „Das LBNL testet OpenADR bereits in mehreren hundert Einrichtungen. Eine davon ist die Sutardya Dai Hall – dank der Smart Energy Box. Eine Schwierigkeit dabei ist, dass sich der Großhandelspreis für Strom im Minutentakt ändert, der Endverkaufspreis aber oft gleich bleibt. Durch die Smart Energy Box könnte sich das ändern: Sie kann Strom sozusagen von einem Posten der Fixkosten in eine aktiv beeinflussbare Größe umwandeln.“

„Letztlich könnten tausende Gebäude von dieser Box profitieren“, fügt Domenico Caramagno, der Gebäudemanager von Sutardya Dai Hall, hinzu. „Und das nicht nur, um die Last bei einem ADR-Ereignis zu senken und so Prämien der Stromversorger zu erhalten, sondern auch, um rund um die Uhr Energieeinsparungen zu erzielen. Das ist die Richtung, in die wir weiter vorangehen wollen.“