speicherheizungen
In einer Studie [3] wurde 2009 das The-ma der Elektroheizungen untersucht und es wurden Vorschläge unterbreitet, wie diese langfristig durch energieeffizi-ente Lösungen ersetzt werden könnten.
Einer der interessanten Ansätze war der Ersatz installierter Einzelraumelektro-speicherheizungen durch eine Einzel-raumwärmepumpe. Alle Elektroheizun-gen, welche auf der Innenseite einer Aussenwand installiert sind, könnten ge-gen eine Einzelraumwärmepumpe aus-getauscht werden. Die Stromversorgung ist bereits vorhanden und in die Gebäu-dewand müssten eines, ggf. zwei Löcher gebohrt werden, um den Luftaustausch für die Wärmepumpe zu ermöglichen.
In der Schweiz beziehen die rund 300'000 installierten Einzelraumelektro-speicheröfen jährlich etwa 1'000 GWh Strom. Bei einer angestrebten Jahresar-beitszahl (JAZ) einer neuen Einzelraum-wärmepumpe von 3 ergibt sich somit ein Energiesparpotenzial von 2/3 des aktu-ellen Verbrauchs, also rund 660 GWh.
Rechnet man Deutschland und
Frank-reich dazu, ergibt sich ein hochgerech-neter Ersatzmarkt von gegen 20 Millio-nen Elektrospeicherheizungen.
Bereits in den 1990er Jahren wurde vom BFE das Projekt einer Einzelraumwärme-pumpe unterstützt. Das Produkt konnte sich aber leider am Markt nicht durch-setzen. Weitere Anstrengungen wurden in den letzten Jahren unternommen, er-neut Firmen im Bereich der Wärmepum-penherstellung für die Idee zu gewinnen, eine Lösung auf den Markt zu bringen.
Vor etwa zwei Jahren konnte schliesslich ein Industriepartner für ein neues Projekt [4] gewonnen werden, das mit Enthusi-asmus gestartet wurde. Als Projektziele wurden die Anforderungen gestellt, dass die neue Einzelraumwärmepumpe eine Jahresarbeitszahl von mindestens 3 auf-weisen muss, extrem geräuscharm ar-beitet (Schalleistung < 30 dB), bezüglich Dimensionen und Gewicht einer gängi-gen Elektrospeicherheizung entspricht, eine thermische Heizleistung von ca.
2 kW aufweist und die Herstellkosten im Bereich von 500 EUR/kW zu liegen kom-men.
Auf der Basis dieser Anforderungen wur-de ein technisches Konzept für ein Funk-tionsmuster erarbeitet. Das Gehäuse
wird dabei in zwei Teile aufgeteilt: die In-nenluftseite, in der mit Ventilatoren über einen Lamellenwärmetauscher (Konden-sator) die Wärme an die Raumluft ab-gegeben wird, und die Aussenluftseite, in der die restlichen Wärmepumpen-komponenten (Kompressor, Verdamp-fer, Sammler, Ventile, etc.) angeordnet sind. Hier wird die Aussenluft durch den Wanddurchbruch angesaugt, über einen Lamellenwärmetauscher (Verdampfer) abgekühlt und mit einem Lüfter wieder nach draussen befördert. Um einen tie-fen Grundschallpegel und möglichst we-nig laute Anfahrzyklen des Kompressors zu generieren, soll ein drehzahlvariabler Kompressor eingesetzt werden. Es wird zudem angestrebt, eine konzentrische Ein- und Ausströmung der Aussenluft zu realisieren, damit nur ein einziger Mauerdurchbruch notwendig wird. Eine Kondensatableitung soll durch die Integ-ration einer beheizten Kondensatleitung im Abluftkanal realisiert werden. Eine Pumpe versprüht Kondensationswasser mit Hilfe einer Versprühdüse. Um der Vereisung der Düse wie auch der Kon-densatleitung vorzubeugen, sorgt ein Düsenheizelement sowie ein Heizband an der Kondensatleitung für die nötige Erwärmung. Da der Kondensattransport nur periodisch und nicht kontinuierlich erfolgt und zudem nur bei Ablufttempe-raturen unter 0 °C erforderlich ist, kann die Betriebszeit der Heizelemente auf das nötige Minimum beschränkt wer-den.
Mit dem Bau des Funktionsmusters soll-te der Nachweis erbracht werden, dass die restriktiven Schallemissionen und die geforderte Jahresarbeitszahl von 3 erreicht werden können. Beide Anfor-derungen konnten nach verschiedenen Optimierungsschritten mit dem Funkti-onsmuster erreicht werden. Trotz dieser sehr ermutigenden Ergebnisse hat sich der Industriepartner leider entschlos-sen, das Projekt nicht weiter zu verfol-gen. Der Aufwand für die Entwicklung eines marktfähigen Produkts wurde als noch beträchtlich eingeschätzt und die Prioritäten innerhalb der Unterneh-mung wurden auf andere Aktivitäten gelegt. Das BFE ist aber aufgrund der geschätzten Marktgrösse und der bisher erreichten Resultate überzeugt, dass die technischen Hürden gemeistert werden Figur 1: Schematische Ansicht des Einzelraumwärmepumpen-Konzeptes von hinten mit den
wichtigsten Komponenten, Innenluftseite links, Aussenluftseite rechts (Quelle: awtec AG für Technologie und Innovation).
Highlights aus Forschung und Entwicklung
können und eine Einzelraumwärme-pumpe erfolgreich im Markt eingeführt werden kann. Interessierte Hersteller sind deshalb aufgerufen, sich für eine Fortsetzung mit der Programmleitung in Verbindung zu setzen.
Energieeffizienz in
der Informations- und Kommunikationstechnik
Unverändert steigt der Energiebedarf von informations- und kommunikati-onstechnischen Einrichtungen und Ge-räten. Der zugrundeliegende «Hunger»
nach Kommunikation und Informati-onsdienstleistungen wächst sowohl im privaten als auch im geschäftlichen Be-reich. Ebenfalls trägt der Umstand dazu bei, dass sich die Schweiz zunehmend im internationalen Umfeld als «Datentre-sor» positioniert und dadurch vermehrt energieintensive Rechenzentren gebaut werden. Um konkurrenzfähig bleiben zu können ist die Energieeffizienz denn auch aus wirtschaftlichen Gründen ein Thema.
Das mit dem renommierten «Watt d’Or 2013» ausgezeichnete Rechenzentrum der Green Datacenter AG verfügt über eine Gleichstromverteilung, die Strom-einsparungen von ungefähr 20 % er-möglicht. Inspiriert durch diesen Erfolg wurde im Jahr 2012 eine Studie gestar-tet, in der basierend auf der aktuellen Gebäudelandschaft der Schweiz Grund-lagen zum Thema «Steigerung der Ener-gieeffizienz mit DC-Netzen im
Gebäu-de» [5] zusammengetragen werden.
Sie soll aufzeigen, wo die technischen Hemmnisse und Herausforderungen lie-gen, um auf eine Gleichstromverteilung in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie Geschäftsgebäuden umstellen zu kön-nen. Es wird ausserdem untersucht, wel-che Effizienzgewinne damit verbunden wären.
Sowohl die EU wie auch viele Länder und Regionen haben beschlossen, eine
«Smart Metering»-Infrastruktur einzu-führen, um die Energieeffizienz prin-zipiell zu erhöhen. Eine gesamthafte Abschätzung der erreichbaren Effizienz-steigerung muss aber auch die Verbräu-che der neuen Infrastruktur mit einbezie-hen. Gemeinsam mit Österreich wurde deshalb untersucht [6], wie gross der Eigenverbrauch von Smart Meter ist und
mit welchem Zusatzverbrauch durch eine flächendeckende «Smart Metering»-Infrastruktur in der Schweiz und in Ös-terreich zu rechnen ist. Die Ergebnisse wurden in technischen Szenarien zu-sammengefasst. Ziel war es, eine Ver-gleichbarkeit verschiedener Technologi-en zu ermöglichTechnologi-en. Gesamthaft wurdTechnologi-en vier technische Szenarien ausgearbeitet, jeweils in Bezug zu den aktuellen Kom-munikationstechnologien (PLC, GPRS/
UMTS, Funkübertragung und M-Bus).
Gemäss der im Projekt durchgeführten Messungen zeigten sich erhebliche Un-terschiede im Eigenverbrauch von Smart Metern. Die gemessenen Verbräuche reichten von 1,4 bis 4,6 W für 3-phasige Geräte. Im Vergleich dazu benötigt der 3-phasige Ferrariszähler 3,9 W und der 3-phasige elektronische Multifunktions-zähler 4,2 bis 4,6 W. Innerhalb der ge-Figur 3: Darstellung der Kommunikationsalternativen A, B, C und D, auf denen die Hochrech-nungen des Eigenverbrauchs der «Smart Metering»-Infrastruktur basieren (Quelle: Ecodesign Company GmbH).
Figur 2: Geschlossenes Funktionsmuster der Einzelraumwärmepumpe (Quelle: awtec AG für Technologie und Innovation).
samten «Smart Metering»-Infrastruktur weist der Zähler selber den höchsten Energiebedarfsanteil auf. Davon wie-derum entfällt der grösste Anteil auf die Einheit für die Datenkommunikati-on. Die gemessenen Energieverbräuche wurden zusammengeführt und unter verschiedenen Annahmen für Rollouts wurden Gesamtverbräuche für Öster-reich und die Schweiz errechnet. Dabei zeigt sich, dass der Rollout von neuen Smart Meter inklusive der zusätzlichen Kommunikationsinfrastruktur ähnliche Energieverbräuche bringen wird wie die zurzeit verwendeten Geräte oder in der Schweiz sogar zu einer Reduktion der Gesamtverbräuche führen könnte, falls die energieeffizienteste Zählerhardware und die energieffizientesten Kommuni-kationstechnologien zum Einsatz kom-men.
«Smart Metering» gehört zu den an-gestrebten Massnahmen der neuen schweizerischen Energiestrategie 2050.
In einem umfassenden Impact Assess-ment [7] untersuchte das BFE für die Schweiz die volkswirtschaftlichen Folgen des Einsatzes von intelligenten Zählern, basierend auf unterschiedlichen Einfüh-rungsszenarien. In der Schweiz wäre demnach eine flächendeckende Einfüh-rung von «Smart Metering» aus volks-wirtschaftlicher Sicht rentabel: Die Ge-räte- und Installationskosten führen bis 2035 zu Mehrkosten von einer Milliarde
Franken gegenüber eines wirtschaftli-chen Nutzens von 1,5 bis 2,5 Milliarden Franken. Von der flächendeckenden Einführung von «Smart Metering» pro-fitieren in erster Linie Haushalte sowie Dienstleistungs- und Gewerbebetriebe.
Für Netzbetreiber, Energielieferanten und -produzenten wären die Kosten unter der heute geltenden Regulierung höher als der Nutzen. Für die Wirtschaft ergeben sich aus der Einführung leicht positive Impulse. Zugunsten einer mög-lichst flächendeckenden Einführung sprechen ferner die Stimulierung des Wettbewerbs, die vermiedenen externen Kosten und die Bedeutung von «Smart Metering» für die Energiestrategie 2050.
Mit der Einführung von «Smart Mete-ring» stehen in jedem Haushalt grund-sätzlich ausgezeichnete Datengrundla-gen zur Verfügung. Dieses Datenmaterial stellt eine wichtige Voraussetzung dar, um im Forschungsgebiet Non-intrusive Appliance Load Monitoring (NIALM) er-hebliche Schritte vorwärts zu kommen.
Mit dem NIALM-Ansatz kann aufgrund der charakteristischen, einzigartigen Eigenschaften von einzelnen Geräten (speziell bezüglich Strom-, Spannungs- und Leistungsverlauf beim Ein- und Aus-schalten) der Gesamtstromverbrauch in Echtzeit detailliert auf die einzelnen Ver-braucher aufgeteilt werden, und zwar ohne jeden Verbraucher einzeln messen zu müssen. Dies wäre extrem dienlich
zur Identifikation von ineffizienten Gerä-ten, Standby-Verbrauchern etc. Im abge-schlossenen Projekt LoReMA (Load Reco-gnizing Meter and Actor) wurden neben dem Bau einer intelligenten Steckdose diverse Algorithmen und Grundlagen für die NIALM-Thematik geprüft und imple-mentiert. Auf dieser Basis und auf An-regung der Schweiz und von Österreich wurde zu diesem Forschungsaspekt und ergänzend zum Thema «Eigenverbrauch der Smart Meter-Infrastruktur» eine vertiefte Analyse [8] auf internationaler Ebene im Rahmen des IEA Implementing Agreements 4E durchgeführt. Die Arbei-ten wurden erfolgreich abgeschlossen und dem Steering Committee präsen-tiert. Leider konnten im Nachgang nicht ausreichend viele interessierte Länder für den Aufbau eines eigenständigen Annexes gewonnen werden. Die ent-sprechenden Arbeiten wurden deshalb vorerst zurückgestellt.
In eine ähnliche Richtung wird in einem ergänzenden Projekt von iSmart [9]
in der Gemeinde Ittigen BE geforscht.
iSmart ist in ein grösseres Smart Grid Projekt eingebettet, in dem «Smart Me-tering», Lastmanagement, dynamische Tarife und Visualisierung in rund 200 Haushalten der Gemeinde Ittigen unter-sucht werden. Dank schneller Kommuni-kation über GPRS/DSL ist es möglich, das Ein- und Ausschalten von Geräten bin-nen weniger Sekunden zu messen. Diese Figur 4: Web-basierte Benutzeroberfläche für iSmart-Kunden zur
Be-stimmung des Verbrauchs einzelner Geräte (Quelle: BKW FMB Ener-gie AG).
Figur 5: Im Rahmen des Motoren-Annex EMSA werden Hilfsmittel für eine effiziente Dimensionierung von Antrieben entwickelt und zur Verfügung gestellt. Das «Motor System Tool» wird laufend weiter-entwickelt (Quelle: Danish Technological Institute).
Fähigkeit wird genutzt, um in Interakti-on mit dem Kunden in wenigen Schrit-ten die Energieeffizienz der wichtigsSchrit-ten Gerätetypen zu bestimmen und Schritte zur Verbesserung vorzuschlagen (z. B.
optimierter Betrieb, Austausch des Gerä-tes durch ein energieeffizienteres Gerät).
Durch dieses Projekt soll der Beitrag von
«Smart Metering» an die Verbesserung der Energieeffizienz erhöht werden. Im Internetportal «iSmart» wurde dazu eine Funktion «Geräteerkennung» inte-griert, die es erlaubt, durch Mitwirkung des Kunden die Effizienz der wichtigsten Geräte im Haushalt einzuordnen. Dabei kann eine Verknüpfung mit einer BKW-App erfolgen, woraus wiederum spe-zifische Handlungsoptionen abgeleitet werden können.