Artikel BWK 12/2012 - Forschungsstelle für Energiewirtschaft

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Feldtest zum Lastverschiebungspotenzial in Haushalten
Funktionaler Stromspeicher
mit Haushaltskühlgeräten
LASTMANAGEMENT J Der Ausbau erneuerbarer Energien in den vergangenen Jahren sow ie der
weiterhin geplante Zu bau gemäß dem Energiekonzept der Bundesregierung aus dem Jahr 2010 führt
zu einem stark volatilem residualen Lastgang. Es zeichnet sich ab, dass konventionelle zentrale Speicher
wie Pumpspeicherkraftwerke zum Ausgleich residualer Spitzen künftig nicht mehr ausreichen könnten.
Lastverschiebungsmaßnahmen in Haushalten könnten als so genannte funktionale St romspeicher
künftig dezentral in Haushalten zur Integration erneuerbarer Energien in das Stromnet z beitragen.
Der Anteil an dezentralen, fluktuierenden
Energieerzeugungsanlagen
wie zum Beispiel Photovoltaik-,
Windenergie- und Biogasanlagen
als auch KWK-Anlagen wächst kontinuierlich
und wird zunehmend die
konventionelle Energieerzeugung ersetzen.
Die zuverlässige und optimale Einbindung
regenerativ erzeugter Energie
in die Stromversorgungsnetze erfordert
m assive Investitionen in den Netz- und
Speicherausbau sowie flexiblere Energiesysteme
zur erzeugungsorientierten
Nutzung der erneuerbaren Energien.
Während Speicher und Netzausbau kostenintensiv
sind, bietet eine intelligente
Koordinierung von Erzeugung und Last
ein erhebliches Effizienzpotenzial durch
die bestmögliche Ausnutzung der vorhandenen
Betriebsmittel und Infrastrukturen
.
Autoren
Dipl.-lng. Philipp Pfeifroth, Jahrgang
1980, Studium des Maschinenbaus
an der Technischen Universität
Darmstadt und ETSEIB
Barcelona, Spanien. Seit Juli 2008
wissenschaftlicher Mitarbeiter
der Forschungsstelle für Energiewirtschaft
(FfE) e.V. in München.
ppfeifroth@ffe.de
Dipl.-lng. Florian Samweber,
Jahrgang 1988, St udium der
Elektro- und Informationstechnik
mit Schwerpunkt Energietechnik/
Energiewirtschaft an der TU M ünchen
sowie an der University of
Edinburgh, Schottland. Seit 201 2
wissenschaftlicher Mitarbeiter
der FfE e.V. in München.
Dipl.-lng. Thomas Gobmaier,
Jahrgang 1976, Studium der
Elektro- und Informationstechnik
mit der Vertiefungsrichtung
Energietechnik an der Technischen
Universität München.
Seit Sept ember 200 3 wisse n­
schaftlicher Mitarbeit er FfE e.V.
in München.
Dipl.-lnf. (FH) Markus Rüger,
Jahrgang 1982, Studium der
technischen Informat ik Fachrichtung
angewandte Informatik an
der Hochschule Bremen. Seit Juni
2011 Systemingenieur in der
Forschung und Entwicklung der
EWE AG in Oldenburg.
BWK Bd . 64 (201 2) Nr. 12
29

- EnergieForum I
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I Energieforum -
Schaltphase
Vorbereitung/Regeneration
-8 Watt - 61 Wh
137Wh
-28% -9 Watt
- 74Wh
167Wh
-23%
Ergebnisse zur
Lastreduktion für
beide Feldtests.
Vergleich der über alle Testintervalle
gemittelten Lastgänge beim Test "Lastaufnahme
mit Vorbereitung" für Hersteller
1 (blau) sowie He rsteller 2 (rot).
ren zeigt den durch die Energieeffizienzklassen
der Kühl-Gefrierkombinationen
zu erwartenden Effizienzvorteil
der A++ Geräte.
Potenzial zur Lastreduktion
Um das Potenzial zur Lastreduktion
zu bestimmen, wurden in den beiden
Feldtests verschiedene Testtypen analysiert.
Es konnte dabei gezeigt werden,
dass mit einer Vorbereitungsphase eine
höhere Lastverschiebung möglich ist.
Der entsprechende Testtyp setzt sich
aus einer zweistündigen Vorbereitungszeit,
acht Stunden Schaltphase und
sechs Stunden bzw. 14 Stunden Rückschaltphase
(erster bzw. zweiter Feldtest)
zusammen. In Bild 2 ist dazu für
beide Feldtests der über alle Testintervalle
gemittelten Lastgänge der Kühl­
Gefrierkombinationen zusammen mit
dem Referenzverbrauch (unterbrochene
Linien) dargestellt. Dabei ist sowohl ein
insgesamt höherer Energiebedarf beim
zweiten Hersteller als auch eine unterschiedliche
Anordnung der Lastextrema
zu erkennen.
Als Kenngrößen der Lastverschiebung
wird in Tabelle 1 die im Vergleich
zur Referenzleistung verschobene Energiemenge
in der Schalt-, der Rückschalt-
sowie der Vorbereitungsphase
ausgewiesen. Für eine bessere Vergleichbarkeit
sind angepasste Kennwerte
zur Lastverschiebung aus beiden
Feldtests gegenübergestellt, bei der die
zur Regeneration der Geräte benötigte
Energie über sechs Stunden erfasst
wurde.
Aufgrund eines höheren Referenzenergieverbrauchs
der Geräte des zweiten
Herstellers (Energieeffizienzklasse
A) kann bei diesen Geräten ein höherer
Energieverbrauch durch die Abschaltung
eingespart werden. der anschließende
Nachholbedarf in der Regeneration
ist jedoch ebenfalls höher.
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Phase
Schaltpha se
Rückschaltphase
0
0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00
Zeit in Stunden
In den acht Stunden der Schaltphase
kann der Energieverbrauch bei diesen
Geräten um 74 Wh reduziert werden.
Der zur Vorbereitung bzw. Regeneration
der Geräte notwendige Energiebedarf
liegt dabei über der Einsparung in der
Schaltphase.
Analog zu den Kühl-Gefrierkombinationen
wurden die Gefriergeräte betrachtet.
Hier ergeben sich tendenziell
ähnliche Größenordnungen für verschiebbare
Energiemengen.
Potenzial zur Lastaufnahme
Die Untersuchung verschiedener Testtypen
zeigte, dass auch für eine Lastaufnahme
der Einsatz einer Vorbereitungszeit
mit inverser Temperaturschaltung
zu einer leicht höheren Lastverschiebung
führt. In Bild 3 sind die gemittelten
Lastgänge aller Testintervalle zusammen
mit dem Referenzverbrauch (unterbrochene
Linien) für den ersten (blau)
und den zweiten Hersteller (rot) gegenübergestellt.
Tabelle 2 zeigt eine Gegenüberstellung
der erfassten Kennwerte
der Lastreduktion.
In den acht Stunden der Schaltphase
kann je nach Hersteller ein Mehrverbrauch
von 160 Wh bis 256 Wh (Energieeffizienzklasse
A) generiert werden. Die
dafür in den anderen
Phasen eingesparte Energiemenge
liegt stets unter
dem Zusatzverbrauch in
der Schaltphase. Die Er-
gebnisse zur Lastaufnahme mit den untersuchten
reinen Gefriergeräten liegen
in derselben Größenordnung.
Kühlgeräte als funktionale Stromspeicher
Kühlgeräte können wie alle Lastverschiebungsmaßnahmen
als ..funktionale
Stromspeicher" interpretiert werden. Zur
Definition eines funktionalen Stromspeichers
sind insbesondere die Speicherkapazität,
die Lade/Entladeleistung, der
Nutzungsgrad, die Kosten sowie die Alterung
als Kennwerte analog einem herkömmlichen
Stromspeicher notwendig.
Als Speicherkapazität kann die aus
dem funktionalen Speicher zu beziehende
Energiemenge interpretiert werden.
Der Verlauf der Lade- und Entladeleistung
wurde bereits dargestellt. Dabei ist
jede Lastaufnahme als Laden des funktionalen
Speichers und jede Lastreduktion
als Entladen zu interpretieren. Bei
dem Test Lastaufnahme liegt die mittlere
Ladeleistung in der Schaltphase zwischen
20 und 33 W und die Speicherkapazität
zwischen 31 und 66 Wh. Der
Speichernutzungsgrad wird im Folgenden
dargestellt. Die Kosten sowie Alterungsprozesse
können Teil weiterführender
Studien sein.
Der Speichernutzungsgrad lässt sich
bei den bislang analysierten Testtypen
aus der Division aller Lastreduktionen
durch alle Lastaufnahmen errechnen.
In Tabelle 3 sind die Speichernut-
Energie Schaltung
Speichernutzungsgrad = Energie Vorbereitung & Regeneration
zungsgrade der eingangs dargestellten
Testtypen zur Lastreduktion und Lastaufnahme
gegenübergestellt.
Schaltphase
Vorbereitung/ Regeneration
20 Watt
160Wh
- 31 Wh
73 o/o 33 Watt 256Wh
-43Wh
83%
Ergebnisse zur
Lastaufnahme für
beide Feldtests.
BWK Bd. 64 (201 2) Nr. 12
31

- Energie!=orum I
Speichernutzungsgrade
der Lastverschiebungen
mit Kühlgeräten.
Mittlere Lade- und
Entladeleistung des
Funktionalen Stromspeichers
in der
Schaltphase über
Nutzungsgrad.
Kühi-Gefrierkombination
Gefriergerät
40 ---
35
30
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10
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-5
-10
-15
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Gefriergeräte erzielen in den Feldtests
generell höhere Speichernutzungsgrade
als Kühl-Gefrierkombinationen. Eine
mögliche Erklärung dafür wäre, dass bei
Gefriergeräten weniger Wärmeeinträge
durch Türöffnungen auftreten. In Testtypen,
bei denen eine Lastreduktion im
Fokus steht, wurde in allen betrachteten
Testtypen ein höherer Nutzungsgrad erzielt.
Bei dem vergleichsweise hohen
Nutzungsgrad der Lastreduktion mit Gefriergeräten
im zweiten Feldtest ist anzumerken,
dass die Datengrundlage mit
lediglich drei Geräten hier gering ist.
Den anderen Werten liegen Untersuchungen
mit je 25 bis 40 Geräten zu
Grunde.
Speicherverluste treten bei Kühlgeräten
unter anderem in Form von erhöhten
Wärmeeinträgen bei niedrigeren
Kühltemperaturen auf. Bei längeren
Schaltzeiten als den hier verwendeten
acht Stunden würde dadurch bei Lastaufnahme
(stärkeres Abkühlen) der
Speichernutzungsgrad absinken und bei
Lastreduktion (Temperaturerhöhung)
44 %
Erst er Feldtest (6 h Regeneration)
39%
LastreduktiOn
19 %
27%
Lastaufnahme
• Kühi-Gefrierkombination 1 (A++)
• Kühi-Gefrierkombination 2 (A)
• Gefriergerät 1 (A++)
Gefriergerät 2 (A++)
- --1 I
~ I
I
t-i
J
40% 60% 80%
Nutzungsgrad
ansteigen. In Bild 4 sind für die als funktionaler
Speicher interpretierten Geräte
die Speichernutzungsgrade den mittleren
Lade- und Entladeleistungen der
Schaltphase aus den Kapiteln "Potenzial
zur Lastreduktion" sowie "Potenzial zur
Lastaufnahme" gegenübergestellt.
Kundenbefragung
Die teilnehmenden Nutzer wurden im
Rahmen der Feldtests durch eine regelmäßige
Kundenbefragung begleitet. In
dieser wurden vor allem die Auffälligkeiten
während der Tests, die Erwartungshaltung
und die Akzeptanz gegenüber
der Steuerung von Kühlgeräten und anderer
Anwendungen analysiert.
Exemplarisch für beide Feldtests sind
die Ergebnisse zur Akzeptanz der Lastverschiebung
im zweiten Feldtest in
Bild 5 dargestellt. Dabei haben 56 % der
Nutzer AuffäHigkeiten bemerkt (links).
aber nur 17 % dieser Nutzer verbinden
damit auch Komforteinschränkungen
(rechts).
I Lastreduktion
40 %
89 % 25 %
Die Frage nach möglichen monetären
Einsparungen zusammengefasst für beide
Feldtests ergab, dass 61 % der Nutzer
eine Kostenersparnis durch ihre neuen
Kühlgeräte erwarten. Dabei ist die Aufteilung
der erwarteten monatliche Einsparung
in Bild 6 dargestellt. Ohne die
höchsten bzw. niedrigsten zwei gegebenen
Antworten liegt der Mittelwert bei
4,5 € . Wenn die Nutzer, die keine Kostenersparnis
erwarten, mit berücksichtigt
werden, bei 3,8 €.
Nach Abschluss des Feldtests würden
sich 84,1 % der Nutzer ein intelligentes
Kühlgerät kaufen, 65,8 % dafür sogar
mehr bezahlen als für ein herkömmliches
Gerät. Im Gegenzug wird von den
Nutzern künftig eine Stromkostenersparnis
erwartet.
Auch gegenüber einer Steuerung anderer
Haushaltsverbraucher zeigen sich die,
bedingt durch das Auswahlverfahren
eher aufgeschlossenen Testpersonen, offen.
Bild 7 zeigt einen Überblick über die
gegebenen Antworten auf die Frage, bei
welchen sonstigen Haushaltsverbrauchern
sie sich eine externe Steuerung
vorstellen könnten.
Fazit
Der durchgeführte Feldtest zeigt, dass
einer Nutzung des schaltbaren Potenzials
von Kühlgeräten weniger die Akzeptanz,
als generell das geringe technische Potenzial
entgegensteht. Auch wenn nur
2,4 % der Testteilnehmer die Steuerung
als problematisch erachteten, scheint eine
Realisierung bei geringen verschiebbaren
Leistungen, Speicherkapazitäten von
0,03 bis 0,07 kWh und Speichemutzungsgraden
von teils deutlich unter 50 % für
die meisten Einsatzfelder nur bei sehr geringen
Investitionskosten möglich.
3
• Nein, auf gar keinen
Fall
• Nein
1
• kein e
Komforteinschränkung
Bemerkte
Auffälligkeiten
durch Steuerung
(links)
sowie deren
Bewertung
(rechts).
1
Eher Nein
Eher Ja
• Ja
• Ja, auf jeden Fall
9
• nur leichte
Komforteinschränkung
• Komf orteinschränkung
• problematisch
32
BWK Bd. 64 (2012) Nr. 12

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AKTORIK
7€
5€
0€
SANFT ANLAUFEN ...
4(
Erwartete
monatliche
Kostenersparnis.
3€
2€ - 1€
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