Kluge Nachhaltigkeit

Die vielen Wege zu einem nachhaltigen Energiesystem zeichnen sich durch die Reduktion des Verbrauchs endlicher Energieträger aus – sowohl mittels Substituierung fossiler und nuklearer Energieträger durch erneuerbare als auch mittels einer Senkung des Energieverbrauchs. In beiden Fällen helfen digitale Technologien, das Potenzial besser zu nutzen. Der Begriff «Smart Energy» steht für diese Verknüpfung von Intelligenz und Energie.

Mit Nachhaltigkeitsfragen befasst sich Vlad Coroama, ein Wissenschaftler am Informatik-Departement der ETH Zürich. Er sagt: «Bei Smart Energy versucht man, Probleme des 20. Jahrhunderts mit Technologien des 21. Jahrhunderts zu lösen.» Das Hauptproblem seien die Treibhausgas-Emissionen, die man – auch mit ICT – reduzieren möchte.

Im Mittelpunkt der Neugestaltung des Energiesystems steht die Umstellung des Verbrauchs auf erneuerbar erzeugte Elektrizität. Dabei gibt es einige Herausforderungen. «Die erneuerbaren Energien können uns zwar helfen, das Problem anzugehen, bringen aber ihre eigenen Nachteile mit sich, beispielsweise ihre Volatilität», sagt Coroama. Auch auf Verbraucherseite gäbe es neue Probleme, denn bei einer grösseren Verbreitung der Elektro­mobilität entstehen Stromverbrauchsspitzen, wenn die Fahrzeuge nach der Arbeit abends zu Hause geladen werden. Solche Peaks können mit ICT abgefangen werden, sei es mit preislichen Mechanismen oder mit einer intelligenten Ladestation, die die Netzsituation berücksichtigt. «Ohne smarte Systeme lassen sich solche Probleme nur schwer lösen», so Coroama.

Fossile Energieträger einsparen

Smart Energy beschränkt sich nicht nur auf die elektrische Energie, denn die Energieträger, die für das Heizen und für den Verkehr eingesetzt werden, sind zurzeit meist fossil. Auch da lässt sich mit der ICT Energie sparen: Die intelligente Heizung kennt die Verhaltensmuster der Bewohner. Sie weiss, zu welchen Zeiten niemand zu Hause ist, und dies ohne manuelle Eingaben oder Einstellungen durch den Kunden. Gemäss Vlad Coroama gibt es in diesem Bereich diverse, meist auf Modellen basierende Studien. Das Energieeinsparpotenzial liegt gemäss diesen Studien bei 5 bis 10%, wenn man die Technologie konsequent anwendet. Um diese Präsenzmuster festzustellen und die Heizung ohne Komfortverlust zu steuern, kann beispielsweise Machine Learning eingesetzt werden. Wichtig sei eine hohe Akzeptanz: «War es dreimal hintereinander kalt, wenn der Bewohner nach Hause kam, wird das Smart Heating abgestellt.»

Mobilität optimieren

Bei einem Projekt von Coroama geht es um die Optimierung des Mobilitätsverhaltens. Mittels Daten von mobilen Telefonen wird mit grosser Genauigkeit erkannt, welche Verkehrsmittel Personen nutzen. Man versucht dann, die Verkehrsmuster zu verstehen, um den Teilnehmern individuelles Feedback bezüglich ihrem Mobilitätsverhalten zu geben. Das System kann ihnen aufzeigen, wie viel Energie ihre Mobilität braucht bzw. wie viel CO₂ dabei emittiert wird. Wenn die Nutzer diverse Mobilitätsarten ausprobieren, sehen sie direkt, welche CO₂-Einsparung ihre Wahl hat. So werden sie motiviert, sich Gedanken zur Optimierung ihrer Mobilitätswahl zu machen. Einsparungen können auf diese Weise erreicht werden, ohne die Konsumenten mittels Gesetzen zu einem ökologischeren Verhalten zu zwingen.

Rebound-Effekte

Eine Herausforderung, die oft ausgeblendet wird, sind Rebound-Effekte. Effekte also, bei denen die durch Energieeffizienz erreichten Einsparungen zu Investitionen führen, die zusätzliche Energie verbrauchen. Dies gilt auch für Zeiteinsparungen, denn wenn die so gewonnene Zeit auf energieintensivere Weise verbracht wird, sind Optimierungen kontraproduktiv. Vlad Coroama sagt: «Es wäre ein grosser Fortschritt, wenn man die Rebound-Effekte einschätzen und diese Einschätzung in die Modelle integrieren könnte, d. h. die Effekte bereits mitmodellieren könnte.» Die Schwierigkeit ist hier, dass es sich um ein hochgradig interdisziplinäres Thema handelt. Da seien Ökonomen, Verhaltensforscher und weitere Experten gefragt.

Coroama sucht nach Energiesystemen, deren Optimierung weniger anfällig auf Rebound-Effekte ist. Ein Beispiel sind die vielen Getränkeautomaten in Japan. Als vor ein paar Jahren deutlich energieeffizientere Modelle auf den Markt gebracht wurden, blieb die Anzahl installierter Automaten stabil, denn die horrenden Standortmieten verhinderten einen Rebound-Effekt.

Ein weiteres Beispiel eines Projekts ohne Rebound-Effekte ist die Erfassung von Erdgaslecks (Einstiegsbild). In gewissen US-amerikanischen Städten hat die Organisation «Environmental Defense Fund» zusammen mit Google Earth und mit der Colorado State University ein Projekt durchgeführt, um Erdgaslecks zu entdecken und so aufzuzeigen, wo Sanierungen der – meist veralteten – Erdgasleitungen mit hoher Priorität ausgeführt werden sollen.[1] Das Prinzip ist simpel: Mehrere Google-Earth-Fahrzeuge wurden mit Methan-Sensoren bestückt und spürten bei ihren Fotografier-Fahrten gleichzeitig Gaslecks auf. Position und Intensität der Lecks wurden gespeichert und ausgewertet. Mit geringem Rebound-Effekt erzielt man so mit ICT einen positiven Klimaeffekt. Vlad Coroama publizierte 2016 eine Abschätzung der Einsparungen dieses Systems.[2]

Schärfung des Bewusstseins

Ein ETH-Projekt, mit dem mittelfristige Energiereduktionen erreicht werden konnten, war die Untersuchung des Warmwasserverbrauchs beim Duschen. Dabei hat man ein kleines Gerät zwischen den Wasserhahn und den Duschkopf installiert, das keine Batterie benötigt, weil es mit einer Mini-Turbine seinen Energieverbrauch selber erzeugt. Das Gerät misst die Durchflussmenge und die Wassertemperatur. Die Daten werden mittels Bluetooth an eine App geschickt, die den Nutzer informiert, wie viel Energie er verbraucht hat. Eine Studie der ETH-Forscherin Verena Tiefenbeck mit dem Elektrizitätswerk Zürich (EWZ), die über mehrere Monate lief, hat gezeigt, dass diese Art von Feedback eine mittelfristige Energieeinsparung von 15% bis 20% bringt.[3] Coroama ist positiv: «Das Projekt hat gezeigt, dass solche Systeme einen mindestens mittelfristigen Effekt haben. Dabei wird das Bewusstsein sanft geweckt. Man stellt den Verbrauchern einen Spiegel hin und zeigt ihnen, wie es aussieht, ohne sie zu zwingen, ihr Verhalten zu ändern.»

Die Stromnetz-Perspektive

Aus der Sicht der Stromnetze ist Smart Energy in der Forschung kein geläufiger Begriff. Für Gabriela Hug, Professorin am Power-Systems-Labor der ETH Zürich, ist der Begriff Smart Grids eher von Bedeutung, auch wenn dieser immer noch relativ unscharf definiert ist. Generell geht es dabei um das Nutzen von Messdaten, Algorithmen und Kommu­nikation, um die Erzeugung mit dem Verbrauch abzugleichen und das Strom­verteil­netz möglichst effizient zu nutzen. Und um fest­zustellen, ob ein Ausbau des Netzes nötig wird, wenn der Anteil dezentral einspeisender Strom­erzeuger eine gewisse Grösse übersteigt.

Elektrizitäts­werke sprechen laut Michael Koller, dem Leiter Technologie­mana­gement bei EKZ, von Smart Energy meist im Zusam­menhang mit der Trans­formation des Energie­systems, konkret der intelli­genten Verknüp­fung der dezentralen Erzeugung mit dem Verbrauch. Dies geschieht mit Algorithmen, die auch Prognosen von Erzeugung und Verbrauch berücksichtigen und ihren Fahrplan auch auf den unteren Netz­ebenen anpassen können – Stichwort virtuelle Kraftwerke oder das Laden von Warm­wasser­boilern tagsüber bei Über­schüssen bzw. das Nutzen von Wärme­pumpen, um Wärme­kapazitäten hin- und herschieben zu können. EKZ macht hier die ersten Schritte, um zu sehen, wo dies funktioniert und wo nicht.

Eine der Herausforderungen liegt gemäss Gabriela Hug darin, zu wissen, wie viel Flexibilität «angezapft» werden kann. Man hat Zigtausende Komponenten im Netz, von denen man wissen muss, wie sie genutzt werden können. Beispielsweise ist das bereits von Vlad Coroama angesprochene Smart Charging für Elektrofahrzeuge im Kommen, bei dem definiert sein soll, wann man laden kann. Man muss über die nötige Information verfügen, um Entscheidungen treffen zu können, welche Verbraucher wie geladen werden sollen, um das Potenzial der Netzinfrastruktur gut zu nutzen. Damit hängt eine weitere Herausforderung zusammen, die Regulierungsfrage. Die Verbraucher müssen ihre Einwilligung geben können, wie ihre Lasten eingesetzt werden sollen. Und sie werden dafür gemäss Michael Koller mit einem darauf abgestimmten Tarif belohnt.

Datenschutz im Verteilnetz

Das Forscherteam von Gabriela Hug befasst sich unter anderem mit der Smart-Meter-Privacy, konkret mit der Frage, wie man es verunmöglichen kann, dass aus hochauflösenden Zählerdaten Rückschlüsse auf das Verhalten der Verbraucher gemacht werden können. Eine Möglichkeit ist die Nutzung eines Batteriespeichers, mit dem man den zeitlichen Verlauf des Verbrauchs «verstecken» kann. Die Summe des Stromverbrauchs verändert sich nicht, aber der Lastverlauf kann mit dem Speicher so umgestaltet werden, dass Rückschlüsse nicht mehr möglich sind. Gabriela Hug sucht dazu Methoden, um den Verbrauch möglichst gut zu verstecken. Dass diese Thematik ernst zu nehmen ist, ist klar, denn gemäss Hug ist «eine Kehrseite der gewünschten Transparenz im Netz die Privacy-Problematik».

Das Stromnetz muss aktiver werden

Als aktive Netzkomponente werden bei EKZ Batteriespeicher erforscht und genutzt. Bereits sieben Jahre ist in Dietikon ein Lithium-Ionen-Speicher in Betrieb, der grös­sere in Volketswil rund ein Jahr. Die Erfahrungen sind positiv: Die Technologie ist zuverlässig, die Batterien altern langsamer als erwartet. Das stimmt Michael Koller zuversichtlich: «Bei der Batterie in Dietikon hatten wir fünf Jahre Garantie, bei der in Volketswil sind es nun zehn Jahre. Der nächste Schritt wäre 20 Jahre, da wird es für Energieversorger spannend, denn wir müssen Investitionszyklen langfristig planen können.» Zudem sind Batterien deutlich preisgünstiger geworden. In Dietikon wurden 2,5 Mio. CHF für 1 MW/500 kWh investiert, in Volketswil 6 Mio. CHF für 18 MW/7,5 MWh. Diese rasante Entwicklung ist vergleichbar mit derjenigen der Photovoltaik, wo der Preiszerfall ebenfalls gross ist. Michael Koller präzisiert: «Aus Netzbetreibersicht sind die Batterien aber immer noch ein wenig zu teuer. Aber weil die Entwicklung so rasant ist, ist es wichtig, die Situation im Auge zu behalten, um feststellen zu können, wann Batterien beispielsweise eine echte Alternative zu traditionellem Netzausbau werden.»

Bei EKZ befasst man sich auch mit der Elektromobilität, da die Automobilindustrie in die Gänge zu kommen scheint. Im Mittelspannungsnetz hat man höchstens punktuelle Herausforderungen. Kritischer wird es im Niederspannungsnetz, wenn die Leute abends heimkommen und ihr Fahrzeug laden möchten. Michael Koller sagt: «Wenn in einem Quartier 50 Personen mit 11 kW gleichzeitig laden möchten, verträgt dies das Netz nicht. Das Schöne an den Elektroautos ist aber, dass sie lange an der Steckdose angeschlossen sind. Man muss nun einen Weg finden, wie man laden kann, ohne den Komfort der Kunden einzuschränken, aber gleichzeitig möglichst viel mit der bestehenden Infrastruktur zu machen.» Das Aufreissen von Quartierstrassen könne mit aktiver Ansteuerung oder abgestimmten Tarifen, die Kunden zum Verschieben der Ladezeiten anspornen, verhindert werden. Der Einsatz von Elektro­autos als wiedereinspeisende Batterien ist zurzeit kein Thema bei EKZ, denn man kann viel mit gesteuertem Laden erreichen, ohne mit den Kunden Diskussionen über den Wert der Batterie führen zu müssen.

Noch ein abschlies­sender Blick auf die Termino­logie. Gabriela Hug erläutert, dass der engli­sche Ausdruck Smart Energy – wider Erwarten – im englisch­spra­chigen Raum kaum verbreitet sei: «Energie an sich kann ja eigentlich gar nicht smart sein.» Eher geläufig im Energie­sektor sei der Begriff Smart Grid, aber auch er leide unter Abnützungs­erschei­nungen. Es gibt zwar das Journal «IEEE Transactions on Smart Grids», aber der Überbegriff wird immer seltener gebraucht. Diese begriffliche Entwicklung bestätigt auch Michael Koller. Es scheint, als ob «Smart Grid» als Initialzünder für die Entwicklung eines neuen Konzeptes für Verteilnetze einen wertvollen Dienst geleistet hat und sich nun, da die Entwicklungs- und Imple­men­tierungs­arbeiten in vollem Gange sind, von der Bühne verabschiedet.

Referenzen

[1] www.edf.org/climate/methanemaps

[2] www.atlantis-press.com/proceedings/ict4s-16/25860364

[3] www.amphiro.com/wp-content/uploads/2016/05/Amphiro-ewz-study_2014_web.pdf