Wachstum des Energieverbrauchs
Um effektiv im Wettbewerb bestehen zu können, müssen Organisationen neue wegweisende Pläne aufstellen, um ihre operative Leistung zu managen und zu optimieren, und dabei modernste digitale Technologien nutzen und die Macht des Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) wirksam einsetzen.
Die Gebäude, in denen wir leben und arbeiten, schlucken mehr als 42% des weltweiten Energieverbrauchs durch Heiz-, Kühl- und Beleuchtungssysteme [1]. In den nächsten 25 Jahren wird der weltweite Energiebedarf voraussichtlich um über 40 % steigen, was die dringende Notwendigkeit von Energieeffizienz und Nachhaltigkeit deutlich macht.
Dieses starke Wachstum der Energienachfrage beeinflusst die Komplexität der Energieverteilungssysteme auf allen Ebenen. Die Stromnetze werden immer dynamischer, um Distributed Energy Resources (DER) zu verwalten, während private und öffentliche Unternehmen die Herausforderung annehmen, Umgebungen zu schaffen, die sich selbst tragen können.
Darüber hinaus sind mehr als die Hälfte der Stromausfälle in Gebäuden, sowohl im gewerblichen als auch im industriellen Bereich, auf Probleme mit Geräten und schlechten elektrischen Verteilungssystemen zurückzuführen, die mehr Strom verbrauchen als nötig. Angesichts dieser Situation besteht heute mehr denn je die Notwendigkeit, den Energieverbrauch und die Kosten zusammen mit der Zuverlässigkeit der Stromversorgung zu optimieren.
Dies gilt insbesondere für kritische Bereiche wie Gebäude des Gesundheitswesens, Rechenzentren, öffentliche Infrastruktur und Produktionsanlagen mit kontinuierlichen Prozessen.
Die durch das IoT ermöglichte Digitalisierung ist von zentraler Bedeutung, um das Wachstum des Energiebedarfs und die damit verbundenen Herausforderungen zu unterstützen. Produktivitätssteigerungen auf Grundlage von Daten bei gleichzeitiger Verbrauchs- und Kostensenkung könnte Organisationen dabei helfen, ökologische Nachhaltigkeit durch geringere Emissionen zu erreichen.
Daten in umsetzbare Erkenntnisse umzuwandeln, kann potenzielle Wege zur Verbesserung aufdecken und Organisationen dabei unterstützen, Effizienzlücken zu erkennen und gleichzeitig Risiken zu mindern.
Messen und Überwachen elektrischer Systeme
Häufig haben Organisationen weder die Kontrolle über ihren Energieverbrauch noch eine genaue Methodik, um sie über den Betrieb ihres Standorts oder Gebäudes zu informieren. Um den vollen Nutzen aus der Digitalisierung ziehen zu können, müssen Organisationen zunächst verstehen, wie viel Energie verbraucht wird und wie sie verbraucht wird. Daher besteht der erste und wichtigste Schritt im Energiemanagement darin, eine Grundlinie und das Verhalten der elektrischen Anlage genau zu identifizieren.
Durch die Visualisierung von Daten in Echtzeit oder aggregierter Zeit können Kunden ihr elektrisches Verteilersystem besser verstehen und erkennen, wo die Ineffizienzen liegen.
Die Messung liefert Energiemanagern und -betreibern zuverlässige Informationen über den Energieverbrauch, in Echtzeit oder aggregiert. Meistens werden Muster der Energieverschwendung durch ein Energiedaten- und Analyse-Grundgerüst in Verbindung mit einem robusten Anlagenenergiemodell aufgedeckt, die andernfalls unmöglich zu erkennen wären. Darüber hinaus kann, je nach den Bedürfnissen der Organisation, das Hinzufügen von weiteren Messpunkten die Genauigkeit deutlich erhöhen, wodurch bessere Einblicke in die Anlage und mehr Daten als Grundlage für Optimierungsmaßnahmen gewonnen werden. Die Zähler sollten auf verschiedenen Ebenen der Anlage installiert werden, damit die Messung einzelner Lasten oder Lastgruppen (homogen) mindestens 70 % des Stromverbrauchs abdecken kann.
Es hat sich gezeigt, dass Verbesserungen, die auf der Messung basieren, den Energieverbrauch um bis zu 45 % reduzieren [2]. Doch während die meisten Organisationen die Bedeutung der Messung und Überwachung verstehen, setzen nur wenige Organisationen eine effektive Strategie für das Energiemanagement um. Organisationen führen tatsächlich in der Regel unabhängige und unkoordinierte Projekte durch, die aufgrund mangelnder Kenntnisse und Methoden meist klein und kurzfristig sind. Ein solcher Ansatz führt zu Ergebnissen, die weit unter den Erwartungen liegen. Die Energieüberwachung wird als wenig wertvoll angesehen, obwohl sich ein gut organisiertes Mess- und Überwachungssystem aufgrund niedrigerer Energie- und Wartungskosten und vernachlässigbarer Stromausfälle in kurzer Zeit amortisieren würde.
Messtechnologien, die aus Effizienzgründen zur Überwachung eines Gebäudes eingesetzt werden, können auf die Wasser-, Gas- und Wärmemessung ausgeweitet werden und bieten so eine umfassende Visualisierung, die ein Gesamtbild der Betriebsbedingungen vermittelt. Sensoren, die Zustände wie Temperatur, Druck oder Feuchtigkeit erfassen, in Verbindung mit Analysen und in einigen Fällen Techniken des maschinellen Lernens (ML) beginnen ebenfalls eine entscheidende Rolle zu spielen, indem sie dazu beitragen, tiefer gehende, unerwartete Verhaltensweisen zu verstehen.
Das Benchmarking des Energieverbrauchs und der elektrischen Systemparameter basiert in der Regel auf der Betrachtung des ganzen Jahres, wobei der Vergleich verschiedener Jahreswerte am wichtigsten ist. Kurzzeitanalysen, wie z.B. Monatsvergleiche, können auch für die Identifizierung spezifischer Ereignisse in einem bestimmten Zeitraum wertvoll sein. Benchmarking kann allerdings ohne konstante Anwendung nicht genau sein: Eine kontinuierliche Überwachung ist notwendig, um festzustellen, ob eine Stichprobe einen guten oder schlechten Zustand darstellt. Ein solcher Ansatz ist auch die Grundlage für energieeffiziente Prozesse und Strategien in Produktionsumgebungen.
Beispielsweise bieten Energieleistungskennzahlen (EnPI), die meist zum Erwerb von Zertifizierungen oder als Grundlage für Energieaudits verwendet werden, das größte Potenzial, Wege und Auswirkungen von Eingriffen zu erkennen - aber nur, wenn sie kontinuierlich und strukturiert ermittelt werden.
In Zahlen ausgedrückt - nehmen wir Mal an, dass eine Verbesserung der Energieeffizienz um 5 %, die mit einem installierten Messsystem [3] recht einfach zu erreichen ist, den Stromverbrauch um etwa 5 % senkt. Nehmen wir außerdem an, dass der industrielle Produktionsstandort der Organisation (mit Solardach) Energiekosten von durchschnittlich 800.000 Euro pro Jahr verursacht. Durch die Messung und Überwachung des elektrischen Verteilersystems kann die Organisation Tausende, wenn nicht sogar Hunderttausende Euro pro Jahr einsparen. In unserem hypothetischen Beispiel belaufen sich die Kosteneinsparungen der Energierechnung auf 40.000 Euro pro Jahr.
Ohne Zugang zu Daten ist die Diagnose und das Beheben von Problemen für Organisationen ineffizient. Wenn sich zum Beispiel ein Gerät nicht korrekt verhält, beauftragt der Werksleiter oder Energiemanager Wartungspersonal, um das Problem zu untersuchen. Handelt es sich um ein mechanisches Problem, kann es behoben werden. Wenn es sich jedoch um ein anderes Problem handelt (z.B. Spannungsunsymmetrie), kann dies zu viel Rätselraten sowie zu einer Verschwendung von Aufwand und Geld ohne Ergebnis führen. Der Zugang zu Daten und zuverlässige Informationen verkürzen die Zeit, die zur Identifizierung des Problems und zur Behebung der Störung benötigt wird.
Intelligente Energieoptimierung
Energieüberwachung ist nicht die einzige Lösung zur Maximierung der Energieeffizienz. Intelligente Energieoptimierung spielt auch eine wichtige Rolle. Allgemein ausgedrückt bedeutet Energieoptimierung die Optimierung des Energieverbrauchs zum maximalen Nutzen für Mensch und Umwelt und besteht aus drei parallelen Strategien: Energieeinsparung, Steuerung der Reaktion auf die Nachfrage und Nutzung erneuerbarer Energiequellen. Somit löst die Energieoptimierung mehrere Herausforderungen, die sich nicht nur auf das elektrische Verteilungssystem, sondern auch auf das Lastmanagement auswirken. Eine fortschrittliche Energieoptimierungslösung ermöglicht Nachhaltigkeit durch aktives Management der Standortausrüstung (was zur Reduzierung der CO2-Emissionen beiträgt) und die Dezentralisierung der Energieerzeugung.
Intelligente Energieoptimierung kann Kunden dabei helfen, Energie in Verbindung mit einem dynamischen Stromnetz und verteilten Energieressourcen zu nutzen und gleichzeitig den Wechsel von fossilen Brennstoffen zu umweltfreundlicheren Energiequellen zu fördern. Sie kann daher die Schaffung intelligenter Netze (und letztendlich "intelligenter Städte") innerhalb von Gewerbe- und Industriestandorten unterstützen und die Verantwortung für die Energieerzeugung und den Beitrag zum Markt dezentralisieren. Mehrere Studien [4] [5] sagen voraus, dass Energieoptimierungslösungen zu Energie- und Kosteneinsparungen von bis zu 25 % führen können - zum Beispiel durch Verlagerung oder Abbau von Lasten - und damit die Amortisationsdauer der Investitionen einer Organisation dramatisch verkürzen. In unserem hypothetischen Beispiel könnte die Einführung einer intelligenten Energieoptimierungslösung zu einer niedrigeren Energierechnung - etwa 200.000 Euro pro Jahr - sowie zu potenziellen Einnahmen führen, wenn der Energieüberschuss in das Stromnetz eingespeist wird.
Facility Management über Elektrizität hinaus
Als komplexes System wird ein Gewerbe- oder Industriestandort über weitere Energiequellen verfügen, wie Brennstoffe, Dampf, Wärme, Druckluft und andere [6] sowie andere Versorgungseinrichtungen (Wasser, Gas). Diese Quellen sollten auch dem Zweck der Effizienz dienen. Häufig werden Key Performance Indicators (KPIs) für diese Quellen in Energie-Audits (Untersuchungen zur Priorisierung der effektivsten Einsparmöglichkeiten bei Energie und anderen Versorgungseinrichtungen) einbezogen.
In einem Multi-Energie-/Versorgungsgebäude kann Effizienz durch die Koordination der verschiedenen Quellen sowie durch den Einsatz von Speichertechnologien wie Batterien, Wärmespeicher (Thermal Energy Storage TES) und Superkondensatoren erreicht werden, wodurch potenziell unabhängige Mikrogrids geschaffen werden können. Daher bietet die Anlagenoptimierung als Ganzes einen wichtigen Ansatz für die effektive Spitzenlastreduzierung des Strom- oder Wärmebedarfs, die effiziente Nutzung erneuerbarer Energien, die kostengünstige Kohlenstoffabscheidung und verteilte Energiesysteme [7].
Die meisten Organisationen sind jedoch noch weit davon entfernt, eine Überwachungs- und Optimierungsstrategie für ihre Anlagen umzusetzen. Zu den Hindernissen gehören die hohen Kosten von Optimierungssystemen sowie die immer noch vorhandenen technologischen Beschränkungen. Sicherlich könnte die Nutzung von Daten aus verschiedenen Energiequellen und Versorgungsunternehmen den Organisationen helfen, ihre höchst anspruchsvollen Umwelt- und Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. Die gute Nachricht ist, dass sich die Digitalisierung mit Hilfe des IoT weiterentwickelt und die Einführung zuverlässiger und kostengünstiger Cloud- oder Hybridangebote einfacher denn je macht.
Die Vorteile von Energieüberwachung und Energiemanagement
Wie bereits erwähnt können Unternehmen mit Stromüberwachungs- und Energiemanagementsystemen durch die kontinuierliche Auswertung ihrer Betriebsdaten erhebliche Kosten- und Wartungseinsparungen erzielen. In den meisten Fällen wirken sich diese Einsparungen direkt auf das Endergebnis der Gewinn- und Verlustrechnung aus. Gleichwohl kann es auch Vorteile geben, die häufig unterschätzt und weniger offensichtlich sind:
- Überprüfung der Energierechnung
Eine Abrechnung enthält in der Regel nur den Stromverbrauch und Strafgebühren. Häufig gibt es für den Benutzer keine Möglichkeit, die Richtigkeit zu überprüfen oder eine Analyse dieser Werte vorzunehmen. Die Installation eines Energiemanagementsystems kann einfache, aber solide Informationen liefern. Beispielsweise hilft die Möglichkeit, Kilowattstunden und Wirk-/Blindleistung abzulesen und diese Daten mit den im Vertrag veröffentlichten Tarifen zu vergleichen, Fehler oder Fehlinterpretationen zu erkennen.
- Multi-Utility-Validierung
An einem Gewerbe- oder Industriestandort gibt es in der Regel verschiedene Anbieter für Energie, Wasser und andere Versorgungsleistungen. Die Rechnungen (z.B. Wasser) basieren in der Regel auf unterschiedlichen Zeiträumen (z.B. monatlich, zweimonatlich, vierteljährlich usw.) und werden oft nicht genau geprüft oder kontrolliert. Kleine, aber kontinuierliche Leckagen bleiben oft über lange Zeiträume unentdeckt, was zu unerwartet hohen Gebühren führt. Die Datenüberwachung kann die Warnung vor und Früherkennung von Leckagen unterstützen und so ein rechtzeitiges Eingreifen und Kosteneinsparungen ermöglichen.
- Lastprofile verfolgen
Die Verfolgung der Lastprofile hilft, frühe Anzeichen eines schlechten Gerätezustands zu erkennen. Nehmen wir an, dass eine typische Stromlast ab dem Zeitpunkt der Installation um 6 Uhr morgens ihren Höhepunkt erreicht und am Ende des Tages wieder abfällt. Die Verfolgung der Last hilft sofort, eine Veränderung in diesem Muster zu erkennen und so ein zugrunde liegendes potenzielles Problem aufzudecken - zum Beispiel einen defekten Kompressor oder eine Anlage, die über Nacht in Betrieb bleibt. Der Datenvergleich kann den Energie-/ Anlagenmanager dabei unterstützen, die Situation zu beurteilen und eine Korrektur zu planen, bevor das Problem schwerwiegend wird.
- Vergleich mehrerer Standorte
Bessere Qualität und ein kontinuierlicher Informationsfluss haben einen erheblichen Einfluss auf Organisationen mit mehreren Standorten. Ein genauerer Vergleich zwischen verschiedenen Einrichtungen, die sich ähneln, ermöglicht eine Harmonisierung von Betrieb und Kosten. Nehmen wir an, es gibt zwei vergleichbare Produktionslinien in zwei verschiedenen Einrichtungen. Die Leistung der einen Produktionslinie liegt unter dem Nennwert und sie verbraucht mehr Energie als die andere, was auf schlecht funktionierende Anlagen zurückzuführen ist. Der Vergleich von Stromverbrauch und Stromqualität mehrerer Standorte hilft dabei, das Problem zu lokalisieren und die entsprechenden Korrekturmaßnahmen zu ergreifen.
- Maximieren der Anlagenleistung
Harmonische Verzerrungen, die durch nicht lineare Lasten verursacht werden, sind ein häufiges Problem, das elektrische Komponenten beschädigen kann. Genauso können Transienten, Schwellungen und Unter-/Überspannungsereignisse schädliche Auswirkungen auf Geräte haben. Beispielsweise kann eine nur fünfprozentige harmonische Verzerrung innerhalb von Transformatoren zu einem Kapazitätsverlust von 25 % führen. In ähnlicher Weise führen große Unwuchten bei Motoren zu ineffizienter Leistung, was zu einer großen Energieverschwendung [8] und einer erhöhten Ausfallwahrscheinlichkeit führen kann. Features zum Management der Leistungsqualität in Verbindung mit allgemeinen Geräteinformationen können dazu beitragen, das Problem frühzeitig zu erkennen, so dass Schäden und Ausfallzeiten minimiert, wenn nicht sogar ganz vermieden werden können.
Energiemanagement als SaaS (Software-as-a-Service)
Noch vor wenigen Jahren beschränkten sich die Betreiber von Gebäuden und Anlagen auf einfache Energieüberwachungssysteme vor Ort, während die meisten fortschrittlichen Energiemanagementsysteme auf komplexen und teuren Lösungen basierten. Nur wenige Systeme ließen sich nachrüsten und fast alle erforderten den Einsatz eines engagierten Teams vor Ort. Außerdem waren nur wenige intelligente Geräte verfügbar, deren Konnektivität auf eine kleine Datenmenge beschränkt war und die nach der Installation kaum nachgerüstet werden konnten. Darüber hinaus wurden, insbesondere bei Brownfield-Projekten, Messpunkte neben intelligenteren Geräten auf der Grundlage der Lastdimension und nicht auf der Grundlage der Nützlichkeit für die strategische Überwachung des Systems ausgewählt.
In letzter Zeit gab es jedoch eine stetige Zunahme intelligenter Geräte mit höherer Genauigkeit und mehr überwachten Parametern auf dem Markt. Die Betreiber konzentrieren sich, unterstützt durch neue Vorschriften und Zertifizierungen, immer mehr darauf, die richtigen Messpunkte zu identifizieren, um die besten und genauesten Informationen zu erhalten.
Neue digitale Technologien führen zu einer starken Verlagerung des Marktes hin zu erschwinglichen Hybrid-/Cloud-basierten Lösungen, die durch ein SaaS-Modell unterstützt werden und somit Flexibilität in Bezug auf Upgrades, Add-ons und Preisgestaltung bieten.
Der Markt für Energiemanagement- und Leistungsüberwachungssysteme verändert sich radikal. IoT-Plattformen für das Energiemanagement entstehen rasch für industrielle, gewerbliche und private Anwendungen mit ihren charakteristischen Merkmalen. Durch die Erschließung von Cloud-Infrastrukturen ermöglichen diese Plattformen den sofortigen, unbegrenzten und globalen Zugang zu Informationen zu jeder Zeit, an jedem Ort und zu einem erschwinglichen Preis. Komplexere Analysen können mit einer höheren Datenmenge in kürzerer Verarbeitungszeit reibungslos ablaufen, wodurch Rückmeldungen und Ergebnisse dramatisch beschleunigt werden, was zu mehr Effizienz, Innovation und Wertschöpfung führt.
Mit nur wenigen Klicks und minimalen Investitionen können Betreiber von einer einfachen Basis-Energiemanagementlösung mit Dashboards für die Anzeige des Echtzeit-Energieverbrauchs, Warnmeldungen für anormale Bedingungen und detaillierte Berichte zu einer anspruchsvolleren Version mit Funktionen wie fortschrittlicher Stromanalyse, Analyse der Stromqualität, Stromprognose und intelligenten Warnmeldungen wechseln. Mit diesen "intelligenten" Funktionen erhalten Betreiber die wertvollen Informationen, die sie für ihre spezifische Anwendung oder System benötigen.
Die Zukunft des Energiemanagements anpacken
Die Zukunft der Energie wird neue Wertschöpfungsketten umfassen, die durch digitale Technologien mit kontinuierlichem, multidirektionalem Datenfluss miteinander verbunden sind. Alle Beteiligten werden ihren eigenen Wert in das System einbringen und eine höhere Gesamteffizienz auf allen Ebenen, von der Produktion bis zum Endverbraucher, sicherstellen. Einfache oder komplexe Energiemanagementsysteme werden in diesem sich verändernden Ökosystem eine zentrale Rolle spielen und versprechen, durch verbesserte Effizienz, Ausbeute und Anlagenverfügbarkeit einen enormen ROI zu erzielen.
Die digitale Transformation wird auch Technologien der künstlichen Intelligenz (KI) und des maschinellen Lernens (ML) umfassen. Diese fortschrittlichen Technologien werden entwickelt, um kommerzielle und industrielle Gebäude dabei zu unterstützen, ungeplante Verhaltensweisen vorherzusagen, die nicht nur mit dem Energieverbrauch, sondern auch mit der Energiequalität und der Zuverlässigkeit der Anlagen zusammenhängen, was zu einer noch höheren Energieeffizienz führt. Zu den fortschrittlichsten Anwendungen werden branchenspezifische Lösungen gehören, die die Möglichkeit bieten, zukünftige Technologien zu übernehmen.
Energieeffizienz wird von Tag zu Tag mehr zu einem strategischen Vermögenswert - ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal im Wettbewerb und ein starker Mehrwert zur Förderung von Wachstum und Rentabilität.
Für die meisten Organisationen wird ein grundlegendes Umdenken zusammen mit Änderungen an ihrer bestehenden Energieinfrastruktur erforderlich sein, um von den digitalen Technologien der nächsten Generation zu profitieren. Die Zeit für diesen Wandel ist jetzt. Schließlich haben Organisationen auch eine soziale Verantwortung, effizienter, grüner und nachhaltiger zu werden. Da die Nachfrage nach Energie wächst, ist es unbestreitbar, dass ein integriertes Energiemanagement ein grundlegender Bestandteil dieser Zukunft ist.
Mehr über ABB und das umfassende Portfolio an Energiemanagement-Lösungen auf der Website https://new.abb.com/abb-ability/de
ABB (ABBN: SIX Swiss Ex) ist ein Technologieführer bei der digitalen Transformation von Industrien. Aufbauend auf einer über 130-jährigen, durch Innovationen geprägten Geschichte, hat ABB vier kundenorientierte, weltweit führende Geschäftsbereiche: Elektrifizierung, Industrieautomation, Antriebstechnik und Robotik & Fertigungsautomation, die durch die Digitalplattform ABB Ability™ unterstützt werden. Das Stromnetzgeschäft von ABB wird 2020 an Hitachi verkauft. ABB ist in mehr als 100 Ländern tätig und beschäftigt etwa 144.000 Mitarbeitende. www.abb.de
Literaturhinweise
[1] IEA.org/data
[2] EIA – Energy Efficiency Report
[3] Carbon Trust Organization - Reports
[4] Energy Foundation - Reports
[5] European Online Journal of Natural and Social Sciences 2014; Vol.3, No.3 Special Issue on Environmental, Agricultural, and Energy Science
[6] ISO50001 - 2018
[7] Capacity Optimization for Electrical and Thermal Energy Storage in Multi-Energy Building Energy Systems, ICAE 2018
[8] Energy Management Handbook, The Fairmont Press, Inc.7th Edition
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