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Optimierungsfibel

Auf dieser Seite wollen wir Sie objektiv über Lastoptimierung im allgemeinen, und über das Vorgehen von AENEA bei der Beratung zur Optimierung des Einsatzes der elektrischen Energie im besonderen, informieren.

Die Meinungen über Lastoptimierung sind sehr unterschiedlich: Hersteller von Betriebsmitteln stehen der Sache naturgemäß (und oftmals berechtigterweise) skeptisch gegenüber, da sie eine Beeinträchtigung der Funktionalitäten Ihrer Anlagen befürchten (und Ihnen die Energiekosten des Kunden relativ egal sind). Einige Hersteller von Optimierungsanlagen generalisieren die durch Ihre Systeme in manchen Fällen erzielten hohen Einsparungen zu stark, da sie ja die Anlagen massenhaft unters Volk bringen wollen (eine objektive Ermittlung von Einsparpotentialen im Einzelfall bleibt da nicht selten auf der Strecke). Elektriker und Planer sind über das Thema oftmals zu wenig informiert, da sie sich ja um andere, wichtigere Dinge zu kümmern haben; deshalb kann man Ihnen wirklich keinen Vorwurf machen, wenn sie häufig sehr pauschaliert, sowohl für Pro, als auch für Contra Stellung beziehen.

Wir sind der Meinung die Wahrheit liegt, wie bei so vielen Dingen, in der Mitte. In manchen Fällen kann Lastoptimierung sehr sinnvoll sein, in anderen ist dringend davon abzuraten!

Also: Worum geht es?

Grundsätzliches und Anwendungsgebiete

Reduzierung der Stromkosten

Momentanleistungsbegrenzung aus technischen Gründen

Beratung / Einsparpotentiale / Systemkosten / Amortisation

Betriebsmittel / steuerbare Last

manuelles Lastmanagement

Funktionsweise automatischer Systeme

lastgeführte Steuerung von Eigenerzeugern (z.B. BHKWs)

Fazit

 

Grundsätzliches und Anwendungsgebiete

Beim Energiebezug werden grundsätzlich zwei Größen unterschieden: Arbeit (gemessen meist in kWh) und Leistung (gemessen meist in kW), wobei die Leistung P (vereinfachend beschränken wir uns auf die Wirkleistung) die verbrauchte Arbeit W pro vorgegebenes Zeitintervall T darstellt, d.h.

P = W / T     bzw.  W = P * T 

Vereinfachend haben wir auf die eigentlich korrekten differentiellen bzw. integralen Darstellungen verzichtet.

Lastoptimierungssysteme beeinflussen primär die Leistung, d.h. versuchen pro Zeitintervall  T die Arbeit auf einen vorgegebenen Maximalwert zu begrenzen. Daraus ergeben sich zwei Anwendungsgebiete:

1.  Reduzierung der Verrechnungsleistung und damit der Bezugskosten (mehr als 95 % der Anwendungen)

2.  Begrenzung der Momentanleistung aus technischen Gründen z.B. zur Vermeidung von Investitionen zur Verstärkung des Anschlusses

 

Die beiden Anwendungen setzen völlig unterschiedliche Steuerstrategien voraus, da im ersten Fall das Zeitintervall T, über das die Beeinflussung erfolgen muss, 15 oder 30 Minuten beträgt und im zweiten Fall T kürzer sein muss als die Ansprechdauer der Leitungsschutzeinrichtung (also wenige Millisekunden bis einige Sekunden).

Reine Systeme zur Kostenreduzierung haben keinen Einfluß auf die Momentanleistung und Systeme, die nur auf die Begrenzung der Momentanleistung abzielen, reduzieren die Bezugskosten nicht im geringsten!

AENEA-Systeme sind werksseitig grundsätzlich auf die Reduzierung der Verrechnungsleistung ausgelegt, wobei Verriegelungsfunktionen integriert sind, mit denen man zur Begrenzung der Momentanleistung Taktzyklen unterschiedlicher Betriebsmittel ineinander "verschachteln" kann. Hierfür müssen aber die Betriebsmittel aufgrund ihres Taktungsverhaltens absolut geeignet sein. Deshalb bietet AENEA zur Begrenzung der Momentanleistung optional spezielle Software und Hardware an, die an den Einzelfall individuell angepasst wird.

 

Reduzierung der Stromkosten

Der Strompreis für EVU-Sondervertragskunden unterscheidet in der Regel nach Arbeitskosten (in Ct je kWh) für den Stromverbrauch und nach Leistungskosten (in EUR je kW) für die maximal beanspruchte Leistung. 

Eine Reduzierung der Arbeitskosten kann nur durch eine permanente Verringerung des Energieverbrauches oder durch Verlagerung elektrischer Arbeit von der Hochtarifzeit in die kostengünstige Niedertarifzeit erreicht werden. Einsparungen können hier u.U. durch den Einsatz wirtschaftlicherer Betriebsmittel erzielt werden.

Eine Reduzierung der Leistungskosten kann durch Vergleichmäßigung des Energiebezuges erreicht werden, indem die Betriebsmittel so gesteuert werden, dass ausgeprägte "Verrechnungsleistungsspitzen" vermieden werden. Dies ist das Haupteinsatzgebiet von mehr als 95 Prozent aller Lastoptimierungsanlagen. Die Systeme führen sozusagen automatisiert eine zeitliche Umverteilung der elektrischen Arbeit durch!

Wie erfolgt nun die Leistungsverrechnung des Energieversorgers?

Der Energieversorger bildet permanent Leistungsmittelwerte über einen Zeitraum von 15 (wesentlich seltener 30) Minuten. Pro Tag fallen so 96, pro  Monat (wenn er 30 Tage hat) 2880 15-Minuten-Leistungsmittelwerte an. Zur Leistungsverrechnung wird in den meisten Fällen der monatliche Höchstwert herangezogen (Monatsverrechnungsleistung). Bei manchen Energieversorgern ist auch eine jährliche Leistungsverrechnung (Jahresverrechnungsleistung) üblich; hier wird häufig der Durchschnittswert der drei monatlichen Höchstwerte in Rechnung gestellt.

Mit der Liberalisierung des Strommarktes werden von den Energieversorgern zunehmend neue Tarifmodelle angeboten, bei denen die Leistungskomponente eine immer größere Rolle spielt. Eine Reduzierung der Verrechnungsleistung wirkt sich nun nicht mehr nur auf die Leistungskosten aus. Sie erhöht auch die sog. Jahres-Benutzungsstunden (Quotient aus Jahresgesamtarbeit/Jahres-Leistungsmaximum), was günstigere Tarife (auch Arbeitspreise) zur Folge haben kann.
Sogenannte "Fahrplanlieferungen" auf der Basis betriebsindividuell erstellter Lastprognosen schaffen für den Energieversorger Planungssicherheit. Werden diese individuellen Lastprofile vom Kunden exakt eingehalten (was nur durch den Einsatz von Lastmanagementsystemen mit differenzierten Sollprofilvorgaben möglich ist), so honoriert dies der Energieversorger mit äußerst günstigen Tarifen. Abweichungen von den Lastprognosen werden mit hohen Kosten für die Ausgleichsenergie bestraft.

Die monetären Einsparungen durch Lastoptimierung werden also in Zukunft nicht mehr so einfach berechnet werden können wie bisher (d.h. 20 % Reduzierung der Leistungsspitze = 20 % Einsparung bei den direkten Leistungskosten). Zudem werden an die Optimierungsanlagen weitergehende Anforderungen gestellt, als nur einige wenige, vorgebbare Sollwerte einzuhalten.

AENEA-Systeme der BOSS-Produktpalette tragen heute schon den Anforderungen des zukünftigen Strommarktes Rechnung. So können z.B. für jeden Wochentag dem System bis zu 96 Sollwerte (Sollwertprofil) vorgegeben werden.

Was bedeutet nun das Messverfahren des Energieversorgers (Verrechnungsleistung = Mittelwert über 15 bzw. 30 Minuten) für die automatisierte Laststeuerung?

1.  Optimierungssysteme müssen absolut synchron zu den Messperioden des Energieversorgers arbeiten und dafür das Periodensignal des Energieversorgers auswerten (Systeme, bei denen die Optimierung über ein "gleitendes Mittelwertfenster" erfolgt, arbeiten nach unserer Auffassung bezüglich der Schalthäufigkeit suboptimal).

2.  Energieumschichtungen innerhalb einer EVU-Messperiode führen zu keiner Einsparung bei den Leistungskosten, da für die Verrechnungsleistung keine Momentanleistungsspitzen, sondern der gesamte Energiebezug in einer EVU-Messperiode ausschlaggebend ist.

3.  Um die monatliche EVU-Spitze z.B. um 20 % zu senken, muss die Energie in mindestens einer kompletten EVU-Messperiode im Monat (nämlich der EVU-Messperiode mit dem höchsten Energiebezug) um 20 % abgesenkt werden. Dies bedeutet, dass für einen Zeitraum von mindestens 15 Minuten im Monat im lastoptimierten Betrieb 20 % weniger Energie für den Produktionsprozess zur Verfügung steht als im nicht optimierten Betrieb.

Die Konsequenzen hieraus sind eigentlich klar:

1.  Lastoptimierung hat nur dann keine gravierende Auswirkungen auf den Produktionsprozess, wenn die monatliche EVU-Leistungsspitze so stark ausgeprägt (d.h. kurzzeitig) ist, dass sich Eingriffe auf einige wenige EVU-Messperioden im Monat beschränken. 

2.  Die zu beeinflussenden Betriebsmittel müssen

a.) ein so hohes Energiespeichervermögen besitzen, dass eine Reduzierung der Energiezufuhr über mehrere Minuten zu keinen gravierenden Störungen im Produktionsprozess führt oder

b.) so flexibel bzgl. ihrer Betriebszeit sein, dass ihr Einsatz um Minuten unterbrochen oder verschoben werden kann, ohne dass gravierende Auswirkungen auf den Produktionsprozess zu erwarten sind.

 

 

 

Momentanleistungsbegrenzung aus technischen Gründen

Im Gegensatz zu Systemen, die zur Reduzierung der Stromkosten eingesetzt werden, verhindern Anlagen zur Momentanleistungsbegrenzung kurzzeitige Lastspitzen (einige Millisekunden bis wenige Sekunden), um Investitionen z.B. zur Verstärkung des elektrischen Anschlusses (einschließlich Transformator) zu vermeiden. Ein weiterer Anwendungsfall dieser Anlagen ist der Schutz von Eigenstromerzeugern (Generatoren, Notstromaggregate, Blockheizkraftwerke etc.) vor Überlastung. 

Während es bei Systemen zur Reduzierung des 15-Minuten-Mittelwertes genügt bei der Leistungs- und Energiebezugsmessung den sogenannten "Mengenimpuls" (der in der Regel vom Energieversorger zur Verfügung gestellt wird) auszuwerten, muss der zu überwachende Energiebezug bei Systemen zur Momentanleistungsbegrenzung differenzierter gemessen werden. Um schnell Laständerungen registrieren zu können, müssen diese Systeme zur Leistungsmessung über Analogeingänge für die einzelnen Außenleiter L1, L2 und L3 verfügen. Zudem muss jeder Außenleiter separat durch das System überwacht werden um zu verhindern, dass Leitungsschutzeinrichtungen einzelner Außenleiter ansprechen, obwohl die Gesamt-Momentanleistung noch im "grünen Bereich" ist.

AENEA bietet auch hierfür Systeme mit entsprechender Hardware und Software an, die individuell auf die Bedürfnisse unserer Kunden zugeschnitten werden.

 

Beratung / Einsparpotentiale / Systemkosten / Amortisation

Lastoptimierung kann nur zufriedenstellend funktionieren, wenn für jeden Kunden ein individuelles Optimierungskonzept erstellt wird!

Beratung

Ob der Einsatz einer Lastoptimierungsanlage sinnvoll ist, hängt von einigen Vorraussetzungen ab:

1.  Ist die Tarifstruktur geeignet, d.h. ist der Kunde Sonderabnehmer mit einer 15-Minuten-Leistungsmessung?

Bei Kunden mit einer 96h-Leistungsmessung zum Beispiel macht der Einsatz handelsüblicher Lastoptimierungssysteme überhaupt keinen Sinn. Wir gehen sogar soweit zu behaupten, dass selbst bei Kunden mit einer 30-Minuten-Leistungsmessung der wirtschaftliche Erfolg einer Optimierung sehr fraglich ist, da ja zum einen die Verrechnungsleistungsspitzen weniger stark ausgeprägt sind (weil eine Mittelung über einen längeren Zeitraum erfolgt), zum anderen der Energiebezug über mindestens 30 Minuten reduziert werden müsste, um eine Einsparung zu erreichen.

 

2Sind stark ausgeprägte, singuläre 15-Minuten-Leistungsmittelwert-Spitzen vorhanden?

Dies kann nur durch die Analyse von repräsentativen Lastgangprofilen (aufbereitet als 15-Minuten-Mittelwerte) geklärt werden. Da die Energieversorger in zunehmendem Maße Leistungszähler mit Lastprofilspeichern einsetzen, können oftmals entsprechende Messschriebe bei den Energieversorgern angefordert werden. Liegen solche Daten nicht vor, so bieten wir entsprechende Messungen an. 

Nur durch diese Vorgehensweise können die monatlichen Eingriffshäufigkeiten des Systems bestimmt werden. Ausnahmen bestätigen allerdings die Regel: Wir haben festgestellt, dass z.B. in kleineren Metzgereien, bei denen Fleischwolf und Cutter gleichzeitig in Betrieb sind, solche ausgeprägten Verrechnungsleistungsspitzen zwangsläufig vorhanden sein müssen und in diesem Falle auf eine aufwendige Leistungsmessung verzichtet werden kann.

 

3Ist die Betriebsmittelstruktur geeignet?

Im ersten Ansatz kann mit Hilfe einer Betriebsmittelliste abgeschätzt werden, ob theoretisch eine ausreichende steuerbare Last zur Verfügung steht. Zusätzlich muss aber bei jedem einzelnen Betriebsmittel geklärt werden, ob es zur Leistungsspitze überhaupt beiträgt und welche Einsparung durch Steuerung des Betriebsmittels maximal erreicht werden kann. Oftmals kann hier nur eine Messung des Lastverhaltens des Betriebsmittels Aufschluss geben! 

AENEA bietet entsprechende Beratungen zur Optimierung des Einsatzes der elektrischen Energie an. Die Kosten hierfür liegen zwischen EUR 400.- bis EUR 1200.- je nach Aufwand für die Messungen und die Berichtserstellung. In vielen Fällen stellen wir fest, dass wir eine Lastoptimierungsanlage nicht empfehlen können. Aber auch ein "negatives" Ergebnis ist ein Ergebnis und kann vor Schaden durch unwirtschaftliche Investitionen schützen.

Einsparpotentiale

Häufig werden Einsparpotentiale sehr pauschal über Größen berechnet, die rein hypothetisch sind. Als Beispiel kann man sogenannte "Gleichzeitigkeitsabschätzungen" aufführen, von denen wir ganz entschieden abraten:

1.  Anhand einer Betriebsmittelliste werden die Nennleistungen (?) aller steuerbaren Verbraucher addiert. Nehmen wir einmal an, hier wird ein Wert von 700 kW ermittelt. Zur Ermittlung des Beitrages dieser Betriebsmittel zur Verrechnungsleistungsspitze wird ein "Erfahrungswert", der sogenannte Gleichzeitigkeitsfaktor herangezogen: sehr beliebt sind hier Werte zwischen 0,5 und 0,7. Somit ergibt sich in unserem Beispiel ein Beitrag der steuerbaren Last zur kostenrelevanten Leistungsspitze von 700 kW * 0,7 = 490 kW

2.  Aus den Stromrechnungen wird die monatliche Verrechnungsleistungsspitze entnommen. Beträgt dieser Wert  z.B. 800 kW, so ist der Beitrag der nicht beeinflussbaren Last 800 kW - 490 kW = 310 kW.

3.  Dann kommt wieder ein "Erfahrungswert" ins Spiel: Anhand der Art der steuerbaren Last kann man angeblich 25 % durch Lastoptimierung einsparen: Somit wird die neue Verrechnungsleistung mit 310 kW + (490 kW * 0,75) = 677,5 kW angegeben.

4.  Das Einsparpotential wird damit kurzerhand auf ca. 120 kW festgelegt und der Sollwert eines Systemes auf 680 kW eingestellt.

Und was passiert dann in der Realität, wenn der Gleichzeitigkeitsfaktor der steuerbaren Last aufgrund individueller Betriebsabläufe tatsächlich ohne Optimierung bei 0,4 lag?

Der Beitrag der steuerbaren Last zur Verrechnungsleistungsspitze beträgt 280 kW, die nicht steuerbare Last trägt somit mit 520 kW zu den Leistungskosten bei. Setzt man auch hier eine Einsparung von 25 % bei der steuerbaren Last an, so wird die Verrechnungsleistungsspitze lediglich um 70 kW reduziert. Der Sollwert hätte eigentlich rechnerisch bei 730 kW liegen müssen.

Und was ist die Folge?

Aufgrund des niedrigen Sollwertes greift das System ungewöhnlich häufig ein, stört den Betriebsablauf entscheidend. Der Kunde setzt den Sollwert auf 750 kW, spart statt 120 kW nur noch 50 kW, beschwert sich beim ach so "erfahreren Lastoptimierer", der dann erwidert: "Ja, wenn Sie den Sollwert auf 750 kW setzen, wundert mich gar nichts!"

So geht es also nicht!

Wie geht AENEA bei der Ermittlung der Einsparpotentiale vor?

Ausschlaggebend für das Einsparpotential sind in erster Linie die Ausprägung der Verrechnungsleistungsspitzen und die für jedes steuerbare Betriebsmittel individuell bestimmte Einsparung, die anhand von Betriebszeit, Auslastung und maximalen Auschaltdauer bestimmt werden muss!

Grundlage hierfür sind:

1.   Lastgangprofile über einen repräsentativen Zeitraum

2.   eine Betriebsbegehung und Lastgangmessungen ausgewählter Betriebsmittel

Beispiel 1:

Das folgende Diagramm zeigt das Gesamtbezugs-Lastprofil eines Verwaltungsgebäudes und das Lastprofil ausgewählter Lüftungsanlagen für den Tag, an dem die Monats-Verrechnungsleistungsspitze (ca. 280 kW) aufgetreten ist. An den anderen Tagen liegt der Leistungsbedarf bei ca. 240 bis 260 kW.

Will man die monatliche Verrechnungsleistung um 30 kW reduzieren, so muss in diesem Fall die rot gekennzeichnete Arbeitsmenge durch das Optimierungssystem in andere EVU-Messperioden verschoben bzw. elimiert werden. Bei Verwaltungsgebäuden bieten sich in erster Linie Lüftungen und Klimatisierungen als steuerbare Last an; an zweiter Stelle könnten auch ausgewählte Küchenverbraucher der Kantine in ein Optimierungskonzept einbezogen werden. Will man also hier die Leistungsspitze durch lastoptimierte Steuerung der Lüftungen kompensieren, so muss an einem Tag im Monat über 3 EVU-Messperioden der Energiebedarf der Lüftungen um ca. 40 %, über eine EVU-Messperiode um ca. 75 % reduziert werden. An 10 weiteren Tagen im Monat müsste der Energiebedarf der Lüftungen um ca. 25 % für 2-3 EVU-Messperioden verringert werden. An den restlichen 19 anderen Tagen des Monats greift das System nicht ein. Bei Raumlüftungen und Klimatisierungen ist dies wohl tolerierbar. Es ergibt sich also in diesem Fall ein Einsparpotential bei den Leistungskosten alleine durch Steuerung der Lüftungen von ca. 11 %.

Beispiel 2:

Das folgende Diagramm zeigt das Gesamtbezugs-Lastprofil einer Brauerei und das Lastprofil eines Lager-Kühlsystems für den Tag, an dem die Monats-Verrechnungsleistungsspitze (ca. 290 kW) aufgetreten ist.

Aufgrund der Ausprägung der Leistungsspitze ist eine Reduzierung der Verrechnungsleistung um ca. 35 kW auf 255 kW möglich. Die Optimierungsanlage würde am Tag eine bis zwei EVU-Messperioden (15 bis 30 Minuten) eingreifen. Ausschalt-Tests an dem gemessenen Kühlaggregat haben ergeben, dass der Energiebedarf dieses Kühlsystems über einen Zeitraum von 15 Minuten (eine EVU-Messperiode) um ca. 30 % (rote Fläche in der braunen Kurve) reduziert werden kann, falls es in den folgenden drei Messperioden nicht mehr optimiert wird und somit die verloren gegangene Energie wieder kompensiert werden kann (grüne Fläche in der braunen Kurve). Hieraus ergibt sich ein Einsparpotential von ca. 16 kW bei der Verrechnungsleistung (rote Fläche in der blauen Kurve) durch lastoptimierte Steuerung dieses Kühlsystems. Es wird also in diesem Fall elektrische Arbeit zeitlich verschoben (rote Fläche = grüne Fläche). Um das Einsparpotential von ca. 35 kW zu erreichen, muss noch weitere steuerbare Last vorhanden sein!

Die beiden Beispiele zeigen, dass man durch differenzierte Messung und Betriebsanalyse Einsparpotentiale sehr genau ermitteln kann und diese in der Praxis dann auch eingehalten werden.

Wie verhält es sich nun bei Betriebs-Neubauten, bei denen im Vorfeld keine Lastgangmessungen etc. vorliegen?
In diesen Fällen empfehlen wir für Branchen, bei denen eine ausreichende steuerbare Last vorhanden ist (wie Metzgereien, Brauereien, Verwaltungsgebäude, Supermärkte, Einkaufszentren, Hotels, Großküchen, Alten- und Pflegeheime, Großindustrie allgemein etc.) zweistufig vorzugehen:

1.  Ermittlung der in ein Optimierungskonzept einzubeziehenden Betriebsmittel anhand der Planungsunterlagen. Einbezug entsprechender Umrüstungen ins LV für die Betriebsmittel (oftmals sind die Kosten hierfür bei Neuanlagen minimal, da ja die Hersteller den Zuschlag erhalten wollen) und entsprechender Steuerleitungen ins LV für den Elektroinstallateur (auch hier sind die Kosten bei Neubauten in der Regel relativ niedrig).

2.  Durchführung von Lastgangmessungen etc. nachdem der "Normalbetrieb" aufgenommen wurde. Erst wenn anhand dieser Daten ein wirtschaftliches Einsparpotential ermittelt wurde, Installation und Inbetriebnahme eines geeigneten Systems.

Systemkosten

Folgende Kosten fallen bei der Realisierung einer Optimierungsanlage an:

1.   Komponentenkosten für das System

2.   Inbetriebnahmekosten für das System

3.   Installationskosten

4.   Kosten für die Betriebsmittelumrüstung

5.   (evtl. Kosten für die Bereitstellung von Mengenimpuls, Periodensignal und Tarifsignale durch den Energieversorger)

Im Rahmen der Untersuchung zur Optimierung des Einsatzes der elektrischen Energie setzt sich AENEA mit den Betriebsmittelherstellern und dem Elektroinstallateur in Verbindung und spricht Schnittstellen ab, so dass entsprechende Angebote erstellt werden können. AENEA arbeitet zudem mit auf diesem Gebiet kompetenten Elektroinstallationsfirmen zusammen und kann deshalb Anlagen incl. Installation zum Festpreis liefern!

Amortisationsrechnung

Hierzu muss die jahresmittlere Einsparung in Relation zu den Systemkomplettkosten ermittelt werden.

Nehmen wir an, es wurde aufgrund von Lastganganalysen ein Einsparpotential von 40 kW ermittelt. Dieses Einsparpotential gilt zunächst erstmal nur für den Zeitraum (meist ein Monat), für den die Untersuchung durchgeführt wurde. Mittels der Stromrechnungen eines Jahres muss nun überprüft werden, ob dieses Einsparpotential für jeden Monat realistisch ist; es könnte ja sein, dass z.B. in den einzelnen Monaten stark unterschiedlicher Leistungsbedarf vorliegt z.B. im Juli 480 kW und im Januar 450 kW. Würde nun der Sollwert auf 440 kW eingestellt werden, so ergäbe sich im Juli eine Einsparung 40 kW und im Januar nur eine Einsparung von 10 kW.

AENEA-Systeme bieten übrigens für diesen Fall spezielle Steuerstrategien (z.B. automatische Sollwertnachführung, ausgehend von einem niedrigen Startsollwert) an, um in jedem Monat die maximal mögliche Einsparung zu erzielen.

Annahme:   das jahresmittlere Einsparpotential beträgt in unserem Beispiel (mit automatischer Sollwertnachführung) ca. 30 kW!

Kosteneinsparung durch Lastoptimierung bei den Leistungskosten:
30 kW * (12 * Monatsleistungspreis/kW). Der Monatsleistungspreis beträgt in unserem Fall EUR 7,00 d.h. jährliche Einsparung EUR 2.520,00.
Sonstige Kosteneinsparung durch Lastoptimierung: 
Durch die Senkung der jährlichen, absoluten Verrechnungsleistungsspitze von 480 kW auf 440 kW überschreitet die Benutzungsdauer die 3000-h-Grenze. Der Energieversorger honoriert dies durch Senkung des Arbeitspreises um 3 %. Bei jährlichen Arbeitskosten von ca. EUR 40.000,00 bedeutet dies eine Einsparung von EUR 1.200,00

Somit ergibt sich eine jährliche Gesamteinsparung von EUR 3.720,00.

Es wird ein AENEA Kompaktsystem Micro-8 eingesetzt. Die Komponentenkosten hierfür betragen einschließlich Inbetriebnahme EUR 3.200.-. Die Kosten für Installation, Betriebsmittelumrüstung etc. wurden mit EUR 3.400,00 ermittelt.

Somit betragen die Systemkomplettkosten EUR 6.600,00.

Die Amortisationszeit des Systems beträgt EUR 6.600,00 / EUR 3.720,00 = 1,77 Jahre.

 

Betriebsmittel / steuerbare Last

Im folgenden werden die wichtigsten Betriebsmittel (Betriebsmittelgruppen) aufgeführt, die sehr häufig standardisiert in ein Optimierungskonzept aufgenommen werden. Wir möchten hier nochmals betonen, dass die steuerbare Last individuell für den einzelnen Betrieb ermittelt werden muss. In manchen Fällen dürfen Verbraucher, die hier als gut optimierbar bezeichnet werden, nicht lastbedingt gesteuert werden, weil sie z.B. unterdimensioniert, durch den Produktionsprozess bedingt überlastet sind bzw. Hygiene-, Lebensmittel- oder Sicherheitsvorschriften unterliegen. Umgekehrt kann es auch vorkommen, dass Verbraucher, die hier als "kritisch" aufgeführt werden, in Ausnahmefällen lastoptimiert gesteuert werden können.

Als Faustregel gilt: Die Amortisationszeit für die Umrüstung des Betriebsmittels sollte 2 Jahre nicht überschreiten.

Beispiel 1: Eine Friteuse mit Nennleistung 20 kW trägt mit maximal 5 kW zur Verrechnungsleistungsspitze bei. Eine lastoptimierte Steuerung mit einem System, dass spezielle Steuerstrategien zur Küchenoptimierung besitzt reduziert ihre Laufzeit in EVU-Hochlast-Messperioden um 10 % (mehr ist nicht möglich, um noch einigermaßen Produktqualität zu gewährleisten, eher weniger). Die maximale Einsparung beträgt also 0,5 kW (= ca. EUR 35.- bis 50.- pro Jahr). Ihre Umrüstung kostet EUR 300.-, d.h. die Amortisationszeit ist größer als 5 Jahre! Fazit: Finger weg, nicht ins Optimierungskonzept einbeziehen!

Beispiel 2: Eine Friteuse mit Nennleistung 20 kW trägt mit maximal 15 kW zur Verrechnungsleistungsspitze bei, da sie in ihrer Aufheizphase als ein Verursacher von Verrechnungsleistungsspitzen identifiziert wurde. Eine lastoptimierte Steuerung mit einem System, das spezielle Steuerstrategien zur Küchenoptimierung besitzt und das die Friteuse in der Aufheizphase sehr stark optimiert, im normalen Produktionsprozess dann jedoch nicht mehr steuert um die Produktqualität nicht zu verschlechtern, reduziert ihren Beitrag zur Verrechnungsleistungsspitze um 50 %. Die maximale Einsparung beträgt also 7,5 kW (= ca. EUR 525.- bis 750.- pro Jahr). Ihre Umrüstung kostet EUR 300.-, d.h. die Amortisationszeit ist kleiner als 1 Jahr! Fazit: In diesem Fall sollte die Friteuse ins Optimierungskonzept einbezogen werden!

 

Lüftungen, Klimatisierungen

Raumlüftungen und -klimatisierungen können in der Regel, gerade in Verwaltungsgebäuden, sehr gut dafür verwendet werden, Verrechnungsleistungsspitzen (die durch zufälliges Zusammenspiel anderer Betriebsmittel verursacht werden) zu kompensieren. Hierbei ist es wichtig, dass das eingesetzte System durch Einhaltung minimaler Einschaltzeiten und maximaler Ausschaltzeiten (sog. "Taktung") eine Minimalversorgung in Hochlastsituationen sicherstellt.

AENEA-Systemen können, für jeden Optimierungskanal individuell, solche "verbraucherspezifischen Zeitbedingungen" vorgegeben werden.

 

Kühlungen

Gerade Lagerkühlungen können sehr gut in ein Optimierungskonzept einbezogen werden, falls singuläre Verrechnungsleistungsspitzen vorhanden sind. Tiefkühlungen, Schockfroster etc. sind bedingt optimierbar. Bei kritischen Kühlungen (z.B. bei denen eine vorgegebene Temperaturschwelle unter keinen Umständen überschritten werden darf) sollte ein System eingesetzt werden, das solche Randbedingungen berücksichtigt.

Allen AENEA-Systemen können sog. binäre Bedarfsanforderungen zugeführt werden, die sicherstellen, dass z.B. kritische Schwelltemperaturen unter keinen Umständen überschritten werden.

 

Küchenverbraucher

Küchenverbraucher wie Kochkessel, Backöfen, Heißluftöfen oder gar Kochplatten und Friteusen dürfen unter keinen Umständen an herkömmliche Maximumwächter, die keine Informationen über den augenblicklichen Betriebszustand der Betriebsmittel verarbeiten können, angeschlossen werden. Selbst sogenannte "küchentaugliche Systeme" können oftmals matschige Pommesfrites, Fleisch, das nicht vollständig durchgegart ist etc. nicht verhindern, falls das Optimierungskonzept fehlerhaft ist.

Auch AENEA-Systeme besitzen sehr differenzierte Steuerstrategien für die Küchenoptimierung und können sehr flexibel auf die einzelnen Auslastungssituationen der Betriebsmittel reagieren. Wenn aber mit einem Verbraucher im optimierten Betrieb z.B. 10 % Einsparung gegenüber dem nicht optimierten Betrieb erzielt werden soll, so muss ihm für die Dauer der EVU-Messperiode (d.h. mindestens 15 Minuten) 10 % an Energie vorenthalten werden. Auch "küchentaugliche" Systeme kommen an dieser Tatsache nicht vorbei. Trotzdem haben natürlich solche "mitdenkenden" Systeme entscheidende Vorteile gegenüber simplen Maximumwächtern (sonst würde auch AENEA den hohen Entwicklungsaufwand hierfür nicht treiben): sie bewerten ständig den Energiebedarf der Betriebsmittel und entscheiden daraufhin, wie lange bzw. wie häufig ein Lastabwurf für das entsprechende Betriebsmittel sinnvoll ist. Der Einsatz von Systemen, die keine Informationen über das Betriebsmittelverhalten (AENEA stellt hier pro Optimierungskanal zwei binäre Eingänge zur Verfügung) auswerten hat oftmals zur Folge, dass die Systeme gebrückt oder abgeschalten werden, weil sie zu gravierend in den Produktionsprozess eingreifen.

In vielen Fällen werden in Großküchen die Verrechnungsleistungsspitzen dadurch verursacht, dass zu Produktionsbeginn sehr viele Betriebsmittel gleichzeitig eingeschaltet werden. Da während dieser "Aufheizphasen" (im Gegensatz zu den "Haltephasen") oftmals über mehrere Minuten (15 Minuten und länger) permanant Energie gezogen wird, ist der Beitrag dieser Betriebsmittel zur Verrechnungsleistung sehr hoch, obwohl sie noch gar nicht mit Kochgut bestückt sind. Im Gegensatz zum manuellen, zeitversetzten Zuschalten (das in der Regel durch das Personal nicht konsequent durchgeführt wird bzw. durchgeführt werden kann) sorgen hier geeignete Lastoptimierungssysteme dafür, dass den Betriebsmitteln die maximal mögliche Aufheizenergie zur Verfügung gestellt wird, ohne dass die Leistungsobergrenze überschritten wird. Die Dauer der Aufheizungen kann sich zwar hierbei etwas verlängern, dies ist aber in den meisten Fällen sehr gut tolerierbar. Sie sagen nun sicher: dies kann ich durch Zeitschaltuhren auch bewerkstelligen. Sie zwängen hierbei den Produktionsprozess aber in ein sehr unflexibles, starres Korsett, wobei nicht absolut sichergestellt ist, dass Verrechnungsleistungsspitzen trotzdem auftreten, da ja keine Informationen über die Bezugssituation vorliegen.

Während der "Haltephasen" ist es in der Regel nur möglich Küchenverbraucher bedenkenlos mit geeigneten Systemen lastoptimiert zu steuern, bei denen sich der Produktionsprozess über mehrere Stunden erstreckt (z.B. bei Kochkesseln, Backröhren) und singuläre Verrechnungsleistungsspitzen vorliegen. Alle anderen Betriebsmittel in der Küche sind während der Haltephasen besonders "schonend" bis gar nicht zu optimieren, da sogenannte "Pump-Down-Effekte" (zu starke Abweichung der Ist- von der Solltemperatur, weil die Energieminimierung nicht mehr schnell genug ausgeglichen werden kann) auftreten können.

Alle AENEA-Systeme können anhand sog. binärer Laufrückmeldungen (der Thermostat liefert hier kein optimal verwertbares Signal) Aufheiz- und Haltephasen selbstständig erkennen. Durch Vorgabe individueller Steuerstrategien für die einzelnen Betriebsphasen wird jeder Verbraucher differenziert optimiert. Dies gewährleistet maximale Einsparung bei minimalen Auswirkungen auf den Produktionsprozess

 

sonstige Betriebsmittel

Grundsätzlich kann bei allen Betriebsmitteln, die ein gewisses Energiespeichervermögen besitzen oder deren Betrieb um einige Minuten unterbrochen bzw. verschoben werden kann, darüber nachgedacht werden, ob sie in ein Optimierungskonzept einbezogen werden. Pauschale Aussagen sind hier jedoch nicht möglich; es muss immer individuell überlegt werden, ob eine Optimierung aufgrund des Betriebsprozesses sinnvoll bzw. eine Umrüstung wirtschaftlich ist.

 

manuelles Lastmanagement

Manchmal können durch Umorganisation des Betriebsablaufs Gleichzeitigkeiten vermieden und die Verrechnungsleistung entscheidend gesenkt werden. In einem  Hotelbetrieb bzw. einem Alten- und Pflegeheim könnte z.B. der gleichzeitige Betrieb von Wäscherei und Küche vermieden werden. Um eine Einsparung zu erzielen, müssen diese Maßnahmen aber konsequent, ohne eine einzige Ausnahme, permanent durchgeführt werden; dies ist meist ohne entsprechende automatische Vorkehrungen absolut illusorisch und nicht durchzuführen. Oftmals werden deshalb die größten Küchenverbraucher gegen die leistungsstärksten Waschmaschinen verriegelt und jede Menge Zeitschaltuhren installiert. Die Unflexibilität solcher Maßnahmen zeigt sich dann mindestens einmal im Monat, wenn z.B. unangemeldet nachmittags ein Bus vor der Tür steht, für den es sich lohnt, die Küche zu aktivieren. Für die Küchenverbraucher steht aber kein Strom zur Verfügung, weil gerade die Waschmaschine in Betrieb ist, gegen die man die Küchenverbraucher verriegelt hat. Also runter in die Waschküche und Waschmaschine ausschalten; nur welche war denn schnell wieder gegen den Kochkessel verriegelt?

Wie würde ein modernes Lastoptimierungssystem in diesem Falle reagieren? Es würde z.B. die Küchenverbraucher zur Verfügung stellen, da sie eine hohe Freigabepriorität besitzen und würde den Trockenprozess mit niedrigster Freigabepriorität automatisch unterbrechen; die anderen Waschprozesse zu Ende führen, neue Waschprozesse jedoch erst wieder zulassen, wenn alle Küchenverbraucher in der Haltephase sind  und Zeitprogrammzuschaltungen kurzzeitig verzögern (eine mögliche Alternative). Durch automatische Sommer-/Winterzeitumstellung würde es zudem das halbjährliche Zeitschaltchaos der installierten Zeitschaltuhren vermeiden. Und wenn man bedenkt, dass für Verriegelungen und manuelle Zeitschaltuhren die Betriebsmittel ebenfalls umgerüstet werden müssen, hält sich die zusätzliche Investition für ein automatisches System in Grenzen. Da das Optimierungssystem gegenüber den manuellen Maßnahmen ständig den Leistungsbezug bewertet, wäre zudem absolut sichergestellt, dass die elektrische Energie optimal ausgenutzt wird, ohne den eingestellten Grenzwert zu überschreiten.

Oftmals werden einfache Maximumwächter in Betrieben installiert, die akustische und/oder optische Signale geben, falls eine Hochlastsituation auftritt. Gleichzeitig wird ein "Energiemanager" bestimmt, der dann manuell Maßnahmen ergreift, damit die Hochlastsituation entschärft wird. Nicht selten erleben wir, dass diese "Energiemanager" sich den gesamten Monat redlich bemühen und alles liegen und stehen lassen, wenn es hupt. Sie sind aber dann mindestens einmal im Monat nicht im Hause (oder sitzen auf der Toilette), wenn Maßnahmen ergriffen werden müssten, so dass nicht die geringste Einsparung erzielt wird. Wir empfehlen in solchen Fällen immer (falls ausreichend steuerbare Last zur Verfügung steht), den Maximumwächter durch ein modernes Energiemanagementsystem auszutauschen, das automatisiert die Betriebsmittel steuert.

AENEA-Systeme besitzen sehr differenzierte lastbedingte Steuerstrategien, wie z.B.  die Möglichkeit, dass laufende Prozesse nicht unterbrochen und die Betriebsmittel erst gesperrt werden, wenn der Prozess abgeschlossen ist. Zudem stehen Zeitschaltprogramme zur Verfügung, wobei eine automatische Sommer-/Winterzeitumstellung durchgeführt wird.

 

Funktionsweise automatischer Systeme

Wir beschränken uns in diesem Zusammenhang nur auf grundlegende Erläuterungen und nur auf Systeme, die der Kostenreduzierung dienen. Systeme zur Momentanleistungsbegrenzung haben eine vollkommen andere Funktionsweise.

Ziel der Lastoptimierung ist es einen oder mehrere vorgegebene Sollwerte für die Verrechnungsleistung nicht zu überschreiten. Dies bedeutet, dass die zur Verfügung stehende Arbeit in einer EVU-Messperiode (Dauer meist 15 Minuten) auf einen festen Wert begrenzt werden muss. Beträgt der Sollwert z.B. 100 kW, so darf das System maximal 25 kWh in einer 15-Minuten-Messperiode an Arbeit zulassen. Es wird also von den Systemen in einer Messperiode nicht etwa die Momentanleistung beschränkt, sondern die Arbeit.

Die einfachste Möglichkeit dies sicherzustellen ist, dass man zu jedem Zeitpunkt in der EVU-Messperiode nur eine bestimmte Menge an Arbeit zuläßt; man regelt entlang einer sog. "Sollgeraden", wie es z.B. auch Temperaturregelungen machen. Die Verfahren haben dann sehr hochtrabende Bezeichnungen wie "Zeitintegrations- und PI-Regelverfahren". Was jedoch bei Temperaturregelungen sehr gut funktioniert, erweist sich, nach unserer Auffassung, bei der Lastoptimierung aus einem einfachen Grund als äußerst mangelhaft: Man kann nur einen Teil der Regelgröße, nämlich die steuerbare Last beeinflussen. Regelt man immer brav an der Grenze entlang, so kann es am Ende der Messperiode passieren, dass die nicht beeinflussbare Last schlagartig sehr groß wird und man nicht mehr ausreichende steuerbare Last zur Verfügung hat, um dies zu kompensieren; die Folge kann ein Überfahren des Sollwertes sein.

Deshalb arbeiten sehr viele Systeme nach dem sog. "Trendrechnungsverfahren"; hierbei wird der augenblickliche Gesamtenergiebezug unter Berücksichtigung des vergangenen Gesamtenergiebezuges auf das Ende der Messperiode extrapoliert. Auch wenn man entsprechende Dämpfungen einbaut, kann es nach unserer Meinung sehr häufig passieren, dass aufgrund eines "schlechten Trends" frühzeitig viel zu viel abgeschaltet wird oder aufgrund eines "guten Trends" zu wenig optimiert wird. Ein Einhalten des Sollwertes kann hier oftmals reine Glückssache sein. 

Nur Systeme, die echte Hochrechnungen des Arbeitsbezuges aus einer Fülle von Informationen über die steuerbare Last (z.B. Verhalten in der bisher vergangenen Zeit der Messperiode, Verhalten bei Taktung) und die nicht steuerbare Last durchführen, schließen die oben genannten Effekte zuverlässig aus. Das Trendverfahren beschränkt sich hier z.B. nur auf die nicht zu beeinflussende Last und nicht auf den Gesamtbezug. Nach unserer Auffassung können deshalb nur Systeme, die das Laufrückmeldungssignal (Verbraucher zieht Leistung bzw. Verbraucher zieht keine Leistung) auswerten absolut präzise und optimal arbeiten.

Das Laufrückmeldungssignal gewährleistet

1.  eine sehr präzise Hochrechnung des Verhaltens der steuerbaren Last und damit (in Verbindung mit dem Gesamtbezug)

2.  eine Trendrechnung des Verhaltens lediglich der "nicht steuerbaren Last"

3.  Informationen über die augenblicklich zur Verfügung stehende steuerbare Last und

4.  die exakte Einhaltung minimaler Einschalt- und maximaler Ausschaltzeiten

Der letzte Punkt soll an einem Beispiel kurz erläutert werden:
Ein Betriebsmittel schaltet gerade zu, weil z.B. der Thermostat anfordert. Ein System, das dies nicht registriert, weil es das Laufrückmeldungssignal nicht auswertet, schaltet zufälligerweise das Betriebsmittel in der nächsten Millisekunde wieder ab. Glauben Sie, dass dies für das Betriebsmittel gut ist? Deshalb sorgen viele Betriebsmittelhersteller dafür, dass eine gewisse Zeit nach dem Zuschalten nicht auf das Abwurfsignal reagiert wird. Glück gehabt! Doch Moment: um ein Überfahren des Sollwertes zu verhindern, müsste eigentlich das Betriebsmittel aus sein, in Wirklichkeit zieht es aber ganz toll Energie und das Optimierungssystem weiß erstmal gar nichts davon!
Anderer Fall: Ein Betriebsmittel zieht mittlerweile schon 3 Minuten keine Energie, weil das Thermostat nicht anfordert. Das Optimierungssystem, das ja wegen fehlender Laufrückmeldung dies nicht weiß, schaltet es nun für eine maximale Ausschaltzeit von weiteren 5 Minuten ab. Insgesamt hatte das Betriebsmittel also 8 Minuten keine Energie. Das AENEA-System, das die Laufrückmeldung auswertet, läßt es deshalb nur 2 Minuten gesperrt um die maximale Ausschaltzeit von 5 Minuten nicht zu überschreiten. Da sich das AENEA-System schon "vor 3 Minuten" dieser Tatsache bewußt war, schaltet es zusätzlich ein weiteres Betriebsmittel ab, um den Sollwert nicht zu überschreiten.

Diese Beispiele könnten endlos fortgesetzt werden!

AENEA-Systeme berücksichtigen das Laufrückmeldungssignal des Betriebsmittels; dadurch werden nicht nur Aufheiz- und Haltephasen erkannt, sondern auch minimale Einschaltzeiten und minimale/maximale Ausschaltzeiten exakt eingehalten. Zudem gewährleistet das AENEA-Hochrechnungsverfahren maximale Einsparung bei minimalen Eingriffen in den Produktionsprozess.

 

lastgeführte Steuerung von Eigenerzeugern z.B. BHKWs

Die wenigsten BHKWs sind rund um die Uhr unter Volllast in Betrieb; sie sind meist ausschließlich wärmegeführt. Oftmals rechnet sich ein Betrieb zur reinen Stromerzeugung nicht, wenn die Wärme nicht benötigt wird; das BHKW wird in diesen Zeiten heruntergefahren oder ganz abgeschaltet, so dass die elektrischen Leistungskosten durch das BHKW wenig oder gar nicht beeinflußt werden. 

In diesen Fällen bietet es sich an, das BHKW zusätzlich leistungskostenoptimiert zu steuern. Dies bedeutet, dass ein Optimierungssystem das BHKW automatisch dann startet und analog regelt, wenn die Verrechnungsleistung einen vorgegebenen Sollwert zu überschreiten droht. Die Laufzeiten des BHKWs (Mindestlaufzeit ist hierbei meist 15 Minuten) werden so optimiert, dass bei minimalen Brennstoffeinsatz eine maximale Einsparung bei den elektrischen Leistungskosten erzielt wird. Da in diesem Falle keine Betriebsmittel durch das Optimierungssystem gesteuert werden, sind absolut keine Auswirkungen auf den Produktionsprozess vorhanden.

Der Einsatz von Lastoptimierungssystemen kann aber auch dann sinnvoll sein, wenn der Eigenstromerzeuger rund um die Uhr in Betrieb ist. Durch Steuerung von Betriebsmitteln können auch in diesem Falle Bezugsspitzen aus dem EVU-Netz reduziert werden. Zudem kann die Verrechnungsleistung bei kurzzeitigen Störungen des Eigenerzeugers, z.B. durch verschärften Lastabwurf, minimiert werden. Bei Störungen im EVU-Netz (kurzzeitiger Inselbetrieb) kann ein Optimierungssystem zudem verhindern, dass der Eigenerzeuger überlastet wird, und es dadurch zu Produktionsausfällen kommt.

Der Einsatz von Lastoptimierungssystemen ist in Betrieben, in denen Eigenstromerzeuger vorhanden sind, aus folgenden Gründen sinnvoll:

1.  Eine Lastführung des Eigenstromerzeugers gewährleistet maximale Einsparung bei den Leistungskosten bei minimalem Brennstoffeinsatz.

2.  Eine Steuerung der Betriebsmittel minimiert die EVU-Bezugsleistung im Normalbetrieb und bei Störungen des Eigenerzeugers.

3.  Eine Steuerung der Betriebsmittel (z.B. unter dem Gesichtspunkt der Momentanleistungsbegrenzung) verhindert eine Überlastung des Eigenstromerzeugers im Inselbetrieb.

 

AENEA-Systeme besitzen optional differenzierte Strategien zur lastbedingten Steuerung (automatisierte Zuschaltung und analoge Regelung) von Eigenstromerzeugern.

 

Fazit

 

Der Einsatz von Lastoptimierungssystemen kann aus vielen Gründen sehr sinnvoll und wirtschaftlich sein. Der Erfolg solcher Systeme hängt jedoch ganz entscheidend von folgenden Kriterien ab:

1.  Erstellung eines kundenindividuellen Optimierungskonzeptes, wobei Einsparpotentiale in der Regel anhand von Lastgangmessungen des Gesamtbezuges und der Analyse einzelner Betriebsmittel ermittelt werden sollten; pauschale Aussagen z.B. mittels Gleichzeitigkeitsabschätzungen etc. sind hierfür nach unserer Auffassung nicht geeignet.

2.  Verwendung von entsprechend leistungsfähigen Systemen, die z.B. Laufrückmeldungen der Betriebsmittel auswerten, die neuen Tarifstrukturen des liberalisierten Strommarktes (z.B. Vorgabe von Lastprofilen etc.) berücksichtigen sowie flexibel erweiterbar (z.B. zu Kostenerfassungssystemen) sind.