Anreize schaffen, Verteilnetz entlasten

Wie andere Strom­ver­sorger ist auch EKZ mit einem rasanten Ausbau der Photovoltaik konfrontiert: Heute sind im Netz des Strom­ver­sorgers, der im Kanton Zürich rund eine Million Personen mit Elektrizität beliefert, ca. 400 MW PV-Leistung installiert. Für das Jahr 2035 werden 1700 MW erwartet. Auch wenn der Solarstrom teilweise an Ort und Stelle verbraucht wird, muss mit höheren Ein­speise­spitzen ins Verteilnetz gerechnet werden. Zu einer höheren Netzbelastung führen aber auch der vermehrte Einsatz von Wärmepumpen für die Beheizung von Gebäuden und der Ausbau der Elektromobilität – insbesondere dann, wenn diese Bezüge gleichzeitig erfolgen.

Spitzen im Netz vermeiden

Jedes Verteilnetz muss dafür ausgelegt sein, die maximal auftretenden Strom­spitzen – seien es Einspeise- oder Lastspitzen – zu bewältigen. Bereits heute investiert EKZ jede Woche gut zwei Millionen Franken in Wartung und Ausbau seines 17’000 km langen Verteilnetzes und ist deshalb wie andere Strom­ver­sorger daran interessiert, dass diese Kosten nicht aus dem Ruder laufen und der Netzausbau minimiert werden kann. Vor diesem Hintergrund führte das Unternehmen zusammen mit dem Power Systems Laboratory und dem Bits to Energy Lab der ETH Zürich in den letzten drei Jahren in der Zürcher Gemeinde Winkel nördlich von Kloten ein Pilotprojekt zu innovativem Last­manage­ment durch. Die Studie wurde aus dem P+D-Programm des Bundesamts für Energie mitfinanziert.

Gemeinhin werden von einer Trafostation mehrere Hundert Haushalte mit Strom versorgt. Die elektrische Leistung, die der Strom­ver­sorger über die Trafostation zur Verfügung stellen muss, schwankt im Tagesverlauf. Sie ergibt sich aus dem aktuellen Strom­ver­brauch der angeschlossenen Haushalte, abzüglich der Stromproduktion im Verteilnetz durch Photovoltaik und andere dezentrale Stromerzeuger. Um Netzausbauten zu vermeiden, sind Netzbetreiber daran interessiert, Stromspitzen im Verteilnetz möglichst tief zu halten. Das lässt sich unter anderem dadurch erreichen, dass der Strom­ver­brauch der Haushalte «netzdienlich» über den Tag verteilt wird.

Arten des Last­manage­ments

Für einen netzdienlichen Betrieb müssen Warmwasserboiler, Wärmepumpen und Elektroautos so gesteuert werden, dass sie die Energie dann aus dem Netz beziehen, wenn der übrige Strom­ver­brauch im Verteilnetz relativ tief ist oder wenn dezentral viel Solarstrom produziert wird. Dieses Last­manage­ment obliegt dem Strom­ver­sorger oder dem Strom­konsumenten, meist unterstützt durch «kluge» Steuerungs­technik. So können Überlastungen der Trans­formatoren und des Netzes vermieden werden, was Ausbauten überflüssig macht oder zumindest verzögert.

Im Pilotprojekt wurden drei neue Wege für dieses Last­manage­ment erprobt:

Direktes Last­manage­ment: Hier steuert EKZ den Betrieb von Boilern, Wärmepumpen und den Ladevorgang von E-Autos so, dass die Belastung des Netzes über den Tag hinweg möglichst gleichmässig verteilt wird. Dieser Ansatz wird seit Langem mit der Rund­steuerung praktiziert. Neu ist, dass die einzelnen Geräte individuell ein- und ausgeschaltet werden können, je nach Auslastungs­prognosen für das Ortsnetz. Die Ladevorgänge von E-Autos werden via Cloud-Schnittstellen der Auto­hersteller gesteuert. Somit mussten keine Last­schalt­geräte installiert werden wie bei Boilern und Wärme­pumpen.

Indirektes Last­manage­ment über statische Tarife (Bild 1a): Hier setzt EKZ einen finanziellen Anreiz, der die Strom­kunden dazu motivieren soll, ihre Elektro­geräte netzdienlich zu betreiben. Als Anreiz dienen Netz­nutzungs­tarife, die vorher festgelegt wurden und nach Tageszeit unterschiedlich hoch sind.

Indirektes Last­manage­ment über dynamische Tarife (Bild 1b): Hier besteht der finanzielle Anreiz aus Netz­nutzungs­tarifen, die sehr kurzfristig festgelegt werden, in Abhängigkeit von Faktoren wie der Trafo­aus­lastung und Wetterdaten. Der Tarif wird dabei von einer KI mit einem Vorlauf von ca. 5 Minuten für die Dauer von 15 Minuten errechnet.

Das indirekte Last­manage­ment mittels variabler Tarife schafft für die Strom­kunden einen Anreiz, ihre Geräte so zu benutzen, dass die Belastung des Verteil­netzes minimiert wird. Diese Methode erinnert an die bekannten Hoch- und Niedertarife, weicht aber in wichtigen Punkten davon ab.

Stromspitzen reduziert

Diese drei Formen des Last­manage­ments wurden von Oktober 2023 bis Dezember 2024 in der Gemeinde Winkel an je einer Trafostation und den angeschlos­senen Haushalten getestet (Bild 2). Um die direkte und indirekte Laststeuerung technisch zu ermöglichen, wurden von den gut 600 teil­neh­menden Haus­halten 64 mit einem neu entwickelten Last­schalt­gerät für Boiler und Wärmepumpen ausgestattet. Zusätzlich haben 42 Haushalte ihre E-Autos als steuerbare Lasten angemeldet; 23 davon konnten während des Feldtests dann mindestens einmal gesteuert werden. Alle anderen Elektrogeräte in den gut 600 Haushalten wurden nicht automatisch gesteuert, aber die Bewohner waren aufgerufen, die Geräte in Nieder­tarif­zeiten zu betreiben und so Geld zu sparen.

Ein Hauptergebnis der Studie: Mit den drei untersuchten Arten des Last­manage­ments lassen sich Ein­speise­spitzen von PV-Strom in den Sommer­monaten reduzieren. Am geeignetsten waren dynamische Tarife: Sie senkten die täglichen Spitzen im Mittel um 8% (gegenüber 6% durch direktes Last­manage­ment und 5% durch statische Tarife). Die Prozentzahlen beziehen sich auf die Spitzen­reduk­tion im Verhältnis zur gesamten Nennleistung aller Boiler, die als flexible Lasten genutzt wurden. Die Referenz auf die Nennleistung erlaubt es, die Spitzen­reduk­tionen der drei in die Studie einbezogenen Trafostationen miteinander zu vergleichen. Die höchste Spitze im analysierten Zeitfenster wurde mit dynamischen Tarifen um 14% der Nennleistung flexibler Boiler gesenkt (gegen 9% durch direktes Last­manage­ment und 0% durch statische Tarife).

Marina González, Leiterin New Technology, Data & AI bei EKZ, wertet das Ergebnis des Feldtests positiv: «Auch wenn sich die Strom­ver­sorger eine grössere Senkung wünschen würden, zeigt der Pilot doch, dass alle dynamischen Ansätze Wirkung zeigen und das Potenzial haben, Netz­ver­stär­kungen mittelfristig zu vermeiden.» Das gelte für dynamische Tarife ebenso wie für intelligente direkte Steuerung.

Effekt nur im Sommer

Dieses Ergebnis mag überraschen, denn man würde vielleicht erwarten, dass ein direktes Last­manage­ment durch den Strom­ver­sorger das beste Ergebnis erzielt. Warum das im Pilotprojekt nicht der Fall war, erklärt González so: «Die direkte Steuerung ist keineswegs trivial, man muss dafür verschiedene Annahmen treffen, und da kann man falsch liegen.» Im Pilotprojekt erfolgte sowohl die direkte als auch die indirekte Steuerung über Tarife mittels Algorithmen, die an der ETH Zürich entwickelt worden waren. «Ein besonderer Fokus lag darauf, die Algorithmen so zu gestalten, dass sie mit den in Realität verfügbaren Informationen und Steuer­möglich­keiten funktionieren. Das ist wichtig, damit die Algorithmen mit nur wenigen Änderungen bezüglich der bestehenden Infrastruktur auch über das Projekt hinaus implementiert werden können», sagt Gabriela Hug, Professorin am Power Systems Laboratory der ETH Zürich.

Die oben ausgeführte Senkung der Stromspitzen bezieht sich auf die Sommermonate. Im Winter zeigt das Last­manage­ment weniger Wirkung: In diesem Zeitraum liessen sich nur mit der direkten Steuerung Stromspitzen vermindern – oder aber durch Abschalten der bestehenden Rund­steuerung. Der Grund: Im Winter wird weniger PV-Strom erzeugt, und die Strombezüge sind im Tagesverlauf gleichmässiger verteilt (wobei die Rund­steuerung der gleich­mässigen Verteilung mitunter entgegenwirkt). Marina González ist überzeugt, dass direktes oder indirektes Last­manage­ment mittelfristig auch im Winter gebraucht wird: «Steigt die Zahl der E-Autos, drohen Lastspitzen in den Abendstunden, die wir mit Last­manage­ment angehen müssen.»

40% der Haushalte reagieren

Ein weiteres Ergebnis der Studie: Variable Netz­nutzungs­tarife zeigen auch Wirkung in Haushalten, in denen keine automatisch steuerbaren Lasten (Boiler, Wärme­pumpen, E-Autos) vorhanden sind. In diesen Haushalten gibt es Elektrogeräte wie Geschirrspüler oder Wasch­maschinen. Hierzu wurde eine Umfrage durchgeführt, in die Haushalte einbezogen wurden, die sich aktiv für den Pilotversuch interessiert hatten (Opt-in-Gruppe), und solchen, die dem Einbezug in den Pilotversuch nicht widersprochen hatten (Not-opt-out-Gruppe).

In der Umfrage sagten drei Fünftel der Haushalte, sie seien durch die variablen Tarife motiviert worden, ihre Elektrogeräte soweit möglich in Zeiten mit günstigem Tarif zu betreiben. Eine Verhal­tens­änderung konnte im Projekt allerdings nur für die motivierten Versuchs­teil­nehmer (Opt-in-Gruppe) nachgewiesen werden. Übrigens hatten sich nur 15% der angesprochenen Personen aktiv für den Versuch angemeldet, obwohl den Haushalten zugesichert worden war, dass sie durch den Versuch keine Preisnachteile erfahren. Ein Hinweis, dass es nicht einfach ist, Strom­kundinnen und -kunden für neue Tarifmodelle zu begeistern.

Anreize kaum wirksam

Ob sich die recht hohe Bereitschaft, Elektrogeräte netzdienlich zu nutzen, auch ausserhalb eines Forschungsprojekts reproduzieren lässt, muss sich noch zeigen. Der finanzielle Vorteil aus der Nutzung günstiger Netz­nutzungs­tarife ist nämlich mit 22 bis 28 Fr. pro Jahr gering. Etwas höher sind die Einsparungen bei Haushalten mit Boiler, Wärmepumpen oder E-Auto-Ladestation. Hier führte das automatische Last­manage­ment zu Einspa­rungen von 103 bis 157 Fr. pro Jahr (Bild 3). «Wir müssen uns bewusst sein, dass der finanzielle Anreiz, der sich aus variablen Netz­nutzungs­tarifen ergibt, für die Haushalte recht bescheiden ist», sagt Marina González. «EKZ und andere Strom­ver­sorger können netz­dien­liches Verhalten nur in einem Mass belohnen, das dem wirt­schaft­lichen Nutzen entspricht, den sie selber aus diesem netz­dien­lichen Verhalten haben.»

Diese Einschätzung wird gestützt durch die Ergebnisse der Umfrage, die nach Durchführung des Pilotversuchs bei den teil­neh­menden Haus­halten durch­geführt wurde. Die erzielten Erspar­nisse wurden mehrheitlich als zu gering beurteilt. Trotzdem waren rund drei Viertel der Personen damit einverstanden, dass die Strom­ver­sorger netzdienliche Stromtarife einführen. Wenn dies geschieht, sind Kom­munika­tions­mass­nahmen unabdingbar. Denn nur für die Hälfte der Befragten waren die im Projekt eingesetzten Stromtarife verständlich.

Dynamische Tarife ab 2026

EKZ wird 2026 dynamische Tarife einführen. Interessant ist dieser Schritt für Stromkunden, die über ein Energie­manage­ment­system verfügen, das für die indirekte Last­steuerung eingesetzt werden kann. Das ist zum Beispiel für viele Kunden mit eigener Solaranlage der Fall. Parallel dazu arbeitet EKZ an der Ablösung der Rund­steuerung durch ein intelli­gentes Last­manage­ment, um das direkte Last­manage­ment in Zukunft weiter zu verbessern. «Wir wollen mit vertretbaren Investitionen einen maximalen Effekt erzielen, um unnötigen Netzausbau vermeiden zu können», sagt Marina González.

Literatur

Schlussbericht

Hinweis

Auskünfte zum Projekt erteilt Michael Moser, Leiter des BFE-Forschungs­programms Elektrizität.