Energiemanagement von Haushaltsgroßgeräten

Da der Anteil der regenerativen Energien am Erzeugungsmix seit Jahren deutlich steigt und im Rahmen der Energiewende auch weiter steigen wird, werden neue Formen der Netzregelung immer notwendiger. Wind- und Sonnenenergie sind in ihrer Erzeugungsleistung nicht steuerbar und nur begrenzt prognostizierbar. Um sie effektiv zu nutzen, also die Einspeisung nicht einfach nur abzuschalten, gibt es nur zwei Möglichkeiten, die aber miteinander kombiniert werden können. Die Energie kann gespeichert werden oder die Last wird mit der Erzeugung synchronisiert. Die erste Möglichkeit ist mit hohen Kosten und einem niedrigen Wirkungsgrad verbunden. Die zweite bedarf einer komplexen Laststeuerung.

In diesem Kapitel wird erörtert, welche Folgen die Energiewende unter anderem für das bestehende elektrische Energieversorgungssystem hat. Dabei wird zunächst der aktuelle Anteil erneuerbarer Energien am Stromverbrauch zeitlich analysiert. Nach einer Betrachtung der Entwicklung der Strompreise und insb. ihrer Komponenten wird der Anteil der Haushalte am Gesamtstromverbrauch und die Anteile der einzelnen Geräteklassen daran betrachtet. Zu guter letzt wird die Netzstabilität und der Einsatz von Systemdienstleistungen untersucht und hierbei der Zusammenhang zwischen Stromaußenhandel und dem Anteil erneuerbarer Energien diskutiert.

In diesem Buch wird gezeigt, wie Haushaltsgroßgeräte genutzt werden können, um die elektrische Last im Netz der Erzeugung anzupassen. In diesem Kapitel soll zur Orientierung ein Überblick über die verschiedenen Arten der Lastbeeinflussung und die bisher verfolgten und publizierten Konzepte geliefert werden. Dabei liegt der Fokus auf dem indirekten Lastmanagement in und mit Privathaushalten. Direkte Laststeuerung, bei der Geräte nur auf externe Steuersignale reagieren, wird dazu explizit nicht betrachtet.

In diesem Kapitel werden flexible Stromtarife erörtert. Zunächst wird das aktuelle Handelssystem kurz vorgestellt. Nach einer Vorstellung vorhandener flexibler Stromtarife in Deutschland und im Ausland sowie der Pläne zum Rollout elektronischer Stromzähler in der EU und der bisher genutzten profilbasierten Bilanzierung des Verbrauchs von Privathaushalten werden Szenarien für attraktive flexible Stromtarife im Kontext der hohen Abgaben und Umlagen auf dem deutschen Strompreis vorgestellt. Hierbei wird eine Methode präsentiert, aufkommensneutral einen variablen Stromtarif mit hoher Preisspreizung zu erzeugen, in dem die bisherigen statischen Abgaben und Umlagen als relativer Aufschlag auf den Strom-Börsenpreis ausgeführt werden. Zu guter Letzt wird ein Konzept vorgestellt, wie sich, im Kontext privater Photovoltaik-Anlagen, Bezugspreis und Einspeisevergütung zu einem effektiven Strompreis vereinen lassen.

In diesem Kapitel werden zunächst die Flexibilitäten von Haushaltsgroßgeräten im Bezug auf Prozessgestaltung und Prozessunterbrechung vorgestellt. Dabei werden die Möglichkeiten der Nutzung von Label- und Schnell-Waschprogrammen im Kontext der optimierten Prozessführung beleuchtet. Anschließend wird eine Modellierung des realen Benutzerverhaltens, also der Wahl des Beladungszeitpunktes des Gerätes, und, in Abhängigkeit davon, des bei der Beladung gesetzten Fristzeitpunktes vorgestellt. Diese Modellierung ist für die spätere Simulation, angesichts fehlender belastbarer Daten zum Benutzerverhalten, essentiell.

In diesem Kapitel wird die Entwicklung und Implementierung der Optimierung thematisiert. Anders als bei der Lastoptimierung im industriellen Umfeld, (Stichwort: Industrielle Microgrids), stellt sich im privaten Bereich die Lage so dar, dass es eine große Menge kleiner Geräte gibt, die im Verantwortungsbereich von Privatleuten liegen. Dies hat zur Folge, dass die ganze Laststeuerung und -optimierung vollautomatisch und konfigurationsfrei ablaufen muss. Außerdem führt die Struktur vieler kleiner Haushalte dazu, dass innerhalb des Bereichs der Optimierung einzelne Abrechnungen pro Hausanschluss stattfinden und das globale Optimum für die Teilnehmer nicht wahrnehmbar und irrelevant ist. Für die Optimierung ist daher statt eines zentralisierten Ansatzes eher ein kooperativer Ansatz zu wählen, in dem die Teilnehmer einen gewissen Einfluss haben. Dieses kooperative, hierarchisch aufgebaute Optimierungskonzept wird in diesem Kapitel für die Hierarchieebenen Gerät, Haushalt und Ortsnetz detailliert vorgestellt.

Aufgrund der hohen Anzahl einzelner Geräte, die in einem Ortsnetz an der Gesamtoptimierung beteiligt sind, wurde in diesem Buch, genauso, wie im Projekt itsowl-EMWaTro auf einen Hardward-Prüfstandsaufbau verzichtet. Für die Ergebnisse ist es irrelevant ob die Optimierungsalgorithmen auf einem verteilten System berechnet werden oder ob derselbe Code auf einem einzigen Rechner ausgeführt wird. In diesem Kapitel wird zunächst das in MATLAB oder Octave erstellte Simulationssystem erklärt. Danach werden zunächst die Simulationsergebnisse für die Lastverläufe verschiedener Ausstattungsszenarien und die damit erzielbaren Kostenersparnisse, sowie die problematische Lastspitzenbildung präsentiert. Nach einer Abwägung des Rechenaufwandes in Abhängigkeit von Optimierungskomplexität und Ergebnisqualität wird die stochastische Streuung der Zusatzkosten durch die Lastspitzenvermeidung untersucht.

Dieses Kapitel bildet die Zusammenfassung und das Fazit des Buches. Anschließend werden weitere notwendige politische und technische Entwicklungen genannt.