Im Allgemeinen ist alles, was Strom verbraucht, eine elektronische Last, deren Verbrauch in Watt gemessen wird. Da Lasten ein Maß für die Leistung sind, bestimmen sie, wie viel Strom für den Betrieb eines Geräts oder einer Anlage erforderlich ist.
Verschiedene Arten von elektrischen Lasten
Lasten können sich ebenso in einem Haushalt und in einem Energiesystem nochmals voneinander unterscheiden:
Verschiedene Arten von elektronischen Lasten
Bei der Definition des Begriffs Last in der Elektrizitätswirtschaft wird zwischen Haushaltslasten und Netzlasten unterschieden.
Haushaltslast
Als Haushaltsstrom wird die Energie bezeichnet, die von Haushaltsgeräten wie Fernsehern, Toastern, Wasserkochern, Haartrocknern oder ähnlichen Geräten verbraucht wird. Da in jedem Haushalt andere Anlagen und Geräte installiert oder angeschlossen sind, variiert die Haushaltslast von Haushalt zu Haushalt. Um den Unterschied zwischen diesen drei Größen zu verstehen, ist es wichtig zu wissen, dass die Spannung (gemessen in Volt) die Menge an potenzieller Energie zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis bezeichnet, während der Strom (gemessen in Ampere) die Geschwindigkeit ist, mit der die Ladung an einem Punkt im Stromkreis vorbeifließt.
In einem Haushalt gibt es drei Hauptarten von elektronischen Lasten:
- Widerstandsfähige Lasten: Jede elektrische Last, die aus einem Heizelement besteht, darunter Lampen, Öfen, Toaster oder Raumheizungen. Die Strom- und Spannungsmuster sind synchronisiert.
- Induktive Lasten: Verwenden Drahtspulen, um magnetische Energie zu speichern und ein induktives Feld zu erzeugen, sodass die Stromwelle hinter der Spannungswelle zurückbleibt. Beispiele hierfür sind Geschirrspüler, Waschmaschinen, Kühlschränke oder Klimaanlagen.
- Kapazitive Lasten: Liefern die größten Leistungsfaktoren und werden häufig zur Verstärkung von Stromkreisen verwendet. Sie werden nur zur Unterstützung anderer elektronischer Lasten, beispielsweise von induktiven Lasten, verwendet. Hier erreicht der Strom seinen Spitzenwert vor der Spannung.
Lasten im Stromnetz
Die Lasten des Stromnetzes können ebenfalls in verschiedene Kategorien unterteilt werden, je nachdem, wie sie zum Gesamtstrombedarf beitragen. Diese Unterteilung ist hilfreich, da sie dabei hilft, die Energieverteilung effizient zu analysieren und zu verwalten. Die Systemlasten werden wie folgt kategorisiert:
Bruttolast
Die Bruttolast ist die gesamte Energiemenge, die benötigt wird, um die Nachfrage in einem Land oder einer Region über den Tag hinweg zu decken. Eine Bruttolastspitze liegt vor, wenn der Strombedarf am Tag am höchsten ist. Sie tritt in der Regel am späten Nachmittag auf und entspricht dem Zeitpunkt, an dem die Nachfrage der Verbraucher:innen nach Energie steigt. Als Teil der Systemlasten bestimmt die Bruttolast den gesamten Strombedarf, der von allen Energiequellen gedeckt werden muss.
Residuallast/Nettolast
Die Restlast, auch als „Nettolast“ bezeichnet, ist die Bruttolast abzüglich der durch variable erneuerbare Energien wie Solar- oder Windenergie erzeugten Elektrizität. Sie zeigt im Wesentlichen, wie viel Nachfrage für den Betrieb konventioneller Kraftwerke übrig bleibt. Die Residuallast/Nettolast ist also der Teil der Stromnetzlast, der nicht durch erneuerbare Energien gedeckt wird.
Bruttolast und Nettolast in Europa im Juli 2023
Mit steigendem Jahreswirkungsgrad sinkt die Nettolast und kann sogar negativ werden. Sie kann also in eine positive und eine negative Residuallast unterteilt werden.
Positive Residuallast
Die positive Residuallast beschreibt eine Situation, in der erneuerbare Energiequellen wie Wind oder Sonne nicht genug Energie produzieren, um die Nachfrage zu decken. Das bedeutet, dass die Residuallast positiv ist. In diesem Fall müssen konventionelle Energiequellen (meist emissionsstarke) den verbleibenden Strombedarf decken, den die erneuerbaren Energien nicht liefern können. Derzeit wird die Restlast weitgehend durch konventionelle Energieressourcen gedeckt. Glücklicherweise kann die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen mit der Entwicklung von Speicherlösungen und alternativen erneuerbaren Energiequellen verringert werden.
Negative Residuallast
Eine negative Residuallast entsteht, wenn variable erneuerbare Energien nicht nur die gesamte Stromnachfrage decken, sondern auch einen Energieüberschuss liefern. Da die Kapazität der erneuerbaren Energien noch im Wachstum begriffen ist, ist eine negative Residuallast derzeit selten. Sie tritt am häufigsten in Ländern mit einer hohen Solarenergiekapazität auf, wie in Deutschland und Spanien, und findet typischerweise in der Mitte des Tages statt, wenn die Solarenergie ihre Spitzenwerte erreicht, wie nachfolgend im Beispiel der drei Zeitpunkte im Juli 2023 zu sehen ist.
In diesem Fall muss der überschüssige Strom entweder gespeichert, für eine spätere Nutzung umgewandelt oder in Regionen mit höherer Nachfrage transportiert werden. Die Herausforderung besteht jedoch darin, dass Sonnenschein und Wind nicht gleichmäßig über ein Land verteilt sind, sodass der Energietransport und der Netzausgleich entscheidend sind. Probleme mit der Netzstabilität können entstehen, wenn zu viel überschüssige Energie ohne ausreichende Speicher- oder Exportkapazitäten vorhanden ist, was Eingriffe wie die Drosselung der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien erfordert, um Ungleichgewichte zu vermeiden.
Positive und negative Residuallast in Deutschland im Juli 2023
Das Verständnis dieser verschiedenen Lasttypen ist für die Analyse von Energieverbrauchsmustern, die in Lastprofilen erfasst werden, unerlässlich. Diese Lastprofile helfen dabei, zu visualisieren, wie verschiedene Anlagen und Systeme im Laufe der Zeit Strom verbrauchen, und helfen so bei der Optimierung und Kostensenkung.
Elektronische Lasten im Vergleich
Verschiedene Anlagen verbrauchen unterschiedliche Mengen an Strom. Die folgende Liste zeigt gängige Haushaltsgeräte und ihren maximalen Stromverbrauch pro Betriebsstunde:
Elektrifizierung und steigende elektronische Lasten
Wie wir oben gesehen haben, benötigen Wärmepumpen und E-Autos – zwei der häufigsten stromverbrauchenden dezentralen Energieressourcen (DERs) – für ihren Betrieb eine große Menge an elektrischer Energie. Im Gegensatz zu elektrischen Öfen oder Heizkesseln sind sie jedoch flexible Anlagen, was bedeutet, dass ihre Stromflüsse überwacht und ihre Nutzung gesteuert werden kann. Wenn sie in ein Energiemanagementsystem integriert sind, können Wärmepumpen, die sowohl heizen als auch kühlen, und E-Autos zu optimalen Zeiten eingesetzt werden, sodass ihr Verbrauch zeitlich verschoben wird, um die Kosten zu minimieren. Mit bidirektionalem Laden und thermischer Energiespeicherung können sie sogar zur Energiespeicherung genutzt werden. Dadurch wird das Stromnetz nicht nur in Spitzenzeiten entlastet, sondern sie können auch überschüssige Energie speichern und in das Netz zurückspeisen, wenn das Energieangebot gering ist.
Die Integration von Strom, Wärme und Mobilität auf diese Weise ist Teil eines umfassenderen Trends, der als Sektorenkopplung bezeichnet wird und durch das Schaffen von Synergien die Effizienz und Nachhaltigkeit von Energiesystemen verbessert. Das Hinzufügen einer zunehmenden Anzahl von Lasten in die Energiesysteme bei gleichzeitiger Erhöhung der variablen erneuerbaren Energiequellen kann überwältigend und schwer auszugleichen sein. Mit ganzheitlichen, smarten Energielösungen können flexible Lasten jedoch die Netzstabilität verbessern und wertvolle Chancen bieten.
Da immer mehr Haushalte und Unternehmen stromintensive Anlagen wie E-Autos und Wärmepumpen integrieren, werden Lastprofile immer wichtiger. Durch die Analyse dieser Profile können die Verbraucher:innen optimieren, wann und wie sie Energie verbrauchen, um Nachfragespitzen zu reduzieren und die Effizienz zu verbessern.
Strategien zum Lastmanagement
Stromangebot und -nachfrage sind oft nicht aufeinander abgestimmt. Beispielsweise verbrauchen Verbraucher:innen oft früh abends, wenn die Sonne nicht mehr scheint, die meiste Energie. Mit der richtigen Lastmanagementstrategie können sich die Verbraucher:innen jedoch an diese Schwankungen anpassen und das volle Potenzial ihrer stromerzeugenden und -verbrauchenden Anlagen ausschöpfen, um ihre Stromrechnung zu minimieren. Lastmanagement beschreibt die aktive Steuerung des Stromverbrauchs. Abhängig von Ihrer Einrichtung und den angeschlossenen Anlagen gibt es verschiedene Möglichkeiten des Lastmanagements. Effektive Lastmanagementstrategien sind eng mit Lastprofilen verknüpft, da sie Echtzeit- und historische Energieverbrauchsdaten zur Optimierung des Energieverbrauchs nutzen. Werfen wir einen Blick auf einige Strategien:
Spitzenlastreduzierung
Peak Shaving reduziert die Stromnachfrage zu Spitzenlastzeiten, um Netzbelastungen zu vermeiden und Kosten zu senken. Als Teil des Lastmanagements erhöht es die Energieflexibilität durch Verlagerung oder Reduzierung des Verbrauchs, gewährleistet Stabilität und unterstützt die Integration erneuerbarer Energien.
Dynamisches Lastmanagement
Das dynamische Lastmanagement optimiert die Energienutzung an Standorten mit mehreren Ladepunkten, indem es die Netzanschlusslast in Echtzeit überwacht und die Stromverteilung an jeden Ladepunkt anpasst, sodass die Kapazitätsgrenzen nicht überschritten werden.
Nachfrageseitige Flexibilität
Nachfrageseitige Flexibilität, auch bekannt als Demand Side Management (DSM), umfasst Politiken, Strategien und Technologien, die darauf abzielen, den Stromverbrauch während der Spitzenlastzeiten zu reduzieren, oft durch finanzielle Anreize, Lastverschiebung oder andere Maßnahmen. Diese Flexibilität ist eine Schlüsselkomponente von Lastmanagementstrategien, die darauf abzielen, die Energienutzung zu optimieren und ein ausgewogenes Netz zu gewährleisten.
Was ist ein Lastprofil?
Ein Lastprofil ist eine Visualisierung Ihres Energieverbrauchs auf täglicher oder saisonaler Basis. Es wird in der Regel durch ein rechteckiges Diagramm veranschaulicht, das das aktuelle Lastprofil zeigt und es Nutzer:innen ermöglicht, Veränderungen im Energieverbrauch zu überwachen und sein System zu optimieren. Je nach Kundentyp kann das Profil zwischen Lastprofilen für Privathaushalte, Gewerbe und Industrie variieren. Sie werden häufig in Energiemanagementsystemen für Privathaushalte verwendet. Der maximale Bedarf über einen Abrechnungszeitraum wird anhand eines Lastzeitintervalls berechnet. Um ein genaues Lastprofil zu erstellen, sind stündliche Messdaten von entscheidender Bedeutung.
Wie wird ein Lastprofil berechnet?
Lastprofile sind wichtige Instrumente, denn sie geben Aufschluss über den Verbrauch von Energieanlagen und ermöglichen es den Nutzer:innen, ihren Stromverbrauch zu optimieren. Darüber hinaus helfen sie bei der Bestimmung der Auslegungskapazität von Systemkomponenten wie Batterien oder Wechselrichtern. Es gibt verschiedene Ansätze für die Erstellung eines Lastprofils. Schauen wir uns zwei davon an:
24-Stunden-Methode
Bei der 24-Stunden-Methode, die auch als Tageslastprofil bezeichnet wird, wird der durchschnittliche Stromverbrauch über – wie der Name schon sagt – 24 Stunden berechnet. Die Zeit wird durch Einschalt- und Ausschaltzeiten gesteuert, die das Ein- und Ausschalten der Last darstellen. Bei Lastsystemen, die 24 Stunden lang kontinuierlich benötigt werden, wird die Einschaltzeit als 00:00 Uhr und die Ausschaltzeit als 23:59 Uhr angezeigt. Diese Methode wird häufig in Solarsystemen verwendet, da sie dabei hilft, abzuschätzen, wie der Energiebedarf und die Solarstromerzeugung im Laufe des Tages aufeinander abgestimmt sind. Die Analyse der täglichen Schwankungen ermöglicht eine bessere Planung der Energiespeicherung und eine effiziente Nutzung der Solarenergie.
Autonome Methode
Die Autonomie-Methode konzentriert sich mehr auf Reservesysteme wie Batterien, um eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten, auch wenn die Hauptstromquelle nicht verfügbar ist. Sie ermittelt den durchschnittlichen Strombedarf über einen bestimmten Reservierungszeitraum, in dem Verbraucher:innen ausschließlich auf gespeicherte Energie angewiesen sind. Die Autonomie-Methode hilft bei der Bestimmung der Batteriekapazität, die erforderlich ist, um die Stromversorgung ohne Unterbrechungen aufrechtzuerhalten. Diese Methode ist nützlich für netzunabhängige Systeme oder Backup-Lösungen in Anlagen für erneuerbare Energien.
Vorteile von elektronischen Lastprofilen
Lastprofile sind wichtig für die Optimierung von Energiemanagementsystemen, da sie detaillierte Einblicke in die Stromverbrauchsmuster bieten. Durch die Analyse dieser Daten können Unternehmen Möglichkeiten zur Kostensenkung erkennen. Wenn Unternehmen ihren Verbrauch durch die Vorhersage von Nachfrageschwankungen anpassen können, können sie die Netzgebühren senken. Einer der Hauptvorteile von Lastprofilen ist die Bedarfsprognose, die eine effiziente Ressourcenzuweisung ermöglicht, sodass der Energieeinsatz effektiver geplant werden kann. Außerdem bieten sie einen schnellen Einblick in Verbrauchsabweichungen und helfen, Unterbrechungen zu vermeiden.
Die Netzstabilität profitiert in hohem Maße von Standardlastprofilen, da sie dazu beitragen, die Stromnachfrage vorherzusagen und eine zuverlässige Versorgung zu gewährleisten. Durch die Analyse von Lastmustern können Netzbetreiber Schwankungen vorhersehen und proaktiv Maßnahmen zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage ergreifen, um das Risiko von Überlasten oder Engpässen zu verringern. Diese Vorhersagefähigkeit ist besonders wichtig für die Integration erneuerbarer Energiequellen, die aufgrund der Wetterbedingungen unvorhersehbar werden können. Ohne genaue Lastprofile und regelmäßige Zählerstände stehen die Netzbetreiber vor Herausforderungen bei der Versorgungsplanung, was zu Ineffizienz, unerwarteten Ausfällen und Instabilität im Energienetz führen kann.
Lastprognose
Eine Lastprognose ist eine Vorhersage des zu einem bestimmten Zeitpunkt benötigten Stroms und berücksichtigt auch, wie sich diese Nachfrage auf das Netz auswirkt. Sie ist wichtig für die Betriebsplanung von Stromnetzen und trägt dazu bei, Ausfälle zu verhindern und gleichzeitig die Stabilität des Netzes insgesamt zu erhalten. Eine Lastprognose kann die Effizienz von Energiesystemen verbessern und unterstützt die Reaktion auf die Nachfrage, die den Energieverbrauch verlagert, um Spitzenlasten zu bewältigen.
Es gibt drei verschiedene Arten von Lastprognosen, die die Entscheidung über Kapazitätserweiterung, Infrastrukturentwicklung und Wartung beeinflussen.
Kurzfristige Vorhersage
Eine Kurzfristprognose deckt einen Zeitraum von bis zu einer Woche ab und stützt sich auf Vorhersagen für den nächsten Tag. Sie enthält Wetterdaten und aktuelle Lasttrends für das Netzmanagement in Echtzeit und ermöglicht es den Netzbetreibern, momentane Entscheidungen darüber zu treffen, wie viel Strom erzeugt und wohin er geleitet werden soll. Genaue Vorhersagen und datengestützte Informationen sind wichtig, da schon kleine Fehler zu Energieverschwendung und überlasteten Stromleitungen führen können.
Mittelfristige Prognosen
Mittelfristige Prognosen decken die Zeiträume von einer Woche bis zu einem Jahr ab. Sie werden hauptsächlich für die Planung von Wartungsarbeiten verwendet. Sie berücksichtigen die saisonalen Schwankungen des Stromverbrauchs sowie geplante Ausfälle.
Langfristige Prognosen
Langfristige Prognosen sind umfangreicher als die beiden anderen und erstrecken sich über einen Zeitraum von einer Woche bis zu mehr als einem Jahr. Sie berücksichtigt den demografischen Wandel, das Wirtschaftswachstum sowie mögliche Änderungen in der Energiepolitik und deren Auswirkungen. Der Schwerpunkt der langfristigen Prognosen liegt auf der Systemplanung und -optimierung. Diese Prognosen unterstützen die Versorgungsunternehmen bei der Entscheidung, wo sie in neue Stromerzeugungskapazitäten investieren und verschiedene Energieressourcen ausgleichen sollen.
Erweiterung des Lastprofils
Die Erweiterung von Lastprofilen ist für die Optimierung des Energiemanagements in smarten Netzen von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Integration von intermittierenden erneuerbaren Energieressourcen. Indem sie die Erzeugung erneuerbarer Energien zu den Lastprofilen hinzufügen, können Netzbetreiber Schwankungen vorhersehen und den Betrieb anpassen, indem sie zum Beispiel Energiespeicher aktivieren oder die Nachfrage auf Zeiten mit hohem Anteil erneuerbarer Energien verlagern. Diese Erweiterung verbessert auch die Energieeffizienz, indem sie Möglichkeiten zur Senkung des Verbrauchs in Zeiten der Spitzennachfrage, in denen weniger erneuerbare Energie zur Verfügung steht, aufzeigt, was mit Strategien zur Nachfragereduzierung kombiniert werden kann. Flexible Lösungen wie dynamische Tarife ermöglichen es Verbraucher:innen, ihren Verbrauch auf der Grundlage von Preissignalen in Echtzeit zu optimieren, was wiederum den Lastausgleich, die Spitzenlastreduzierung und die Netzstabilität unterstützt. Die Integration dieser Lösungen in Energiemanagementsysteme erhöht die Vorhersagegenauigkeit, rationalisiert die Energieverteilung und verbessert die allgemeine Widerstandsfähigkeit und Effizienz des Netzes.
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