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Zuschaltbare Last

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Definition: ein Stromverbraucher, der bei Bedarf vom Netzbetreiber aktiviert werden kann

Englisch: switchable load

Kategorie: elektrische Energie

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 28.08.2016; letzte Änderung: 18.09.2016

Eine zuschaltbare Last ist ein Verbraucher für elektrische Energie, der bei Bedarf vom lokalen Netzbetreiber ferngesteuert aktiviert werden kann – etwa mithilfe von Rundsteuertechnik. In mancher Hinsicht ähnelt dies einer unterbrechbaren Verbrauchseinrichtung, nur dass es hier darum geht, die Stromnachfrage zu bestimmten Zeiten gezielt zu erhöhen und nicht etwa zu vermeiden.

Die Nutzung zuschaltbarer Lasten

Das Einspeisemanagement mit Abregelung der Leistung von Windenergie- und Photovoltaikanlagen ist keine ideale Lösung; hierdurch geht zur Zeit in Deutschland rund 1 % der mit erneuerbaren Energien erzeugten Strommengen verloren.

In Deutschland ist im Zusammenhang mit der Energiewende der Anteil der erneuerbaren Energie bei der Stromerzeugung erheblich gestiegen, und zwar in erster Linie durch Windenergie und Sonnenenergie (Photovoltaik), die bedingt durch Tageszeit und Wetter schwankend anfallen. Zwar bleibt die gesamte aus solchen Quellen verfügbare Leistung in Deutschland meist noch deutlich unter der gesamten benötigten Leistung, jedoch kommt es lokal (vor allem in Schleswig-Holstein) zu schwer nutzbaren Stromüberschüssen, wenn die Kapazitäten der Stromnetze nicht ausreichen, um diese Leistung zu entfernteren Verbrauchern zu transportieren. Der bereits geplante Ausbau der Stromnetze sollte dieses Problem zwar mittelfristig weitgehend lösen können, benötigt jedoch einige Zeit und kann nicht überall dem Ausbau der erneuerbaren Energien schnell genug folgen. Als eine Notmaßnahme müssen deswegen immer wieder Stromerzeuger mit erneuerbaren Energien abgeregelt werden, d. h. ihre Einspeisung in das Netz muss zeitweise reduziert oder unterbunden werden, weil die zur Verfügung stehende elektrische Leistung von den Netzen nicht aufgenommen werden kann. Damit gehen leider jedes Jahr erhebliche Energiemengen verloren; die sogenannte Ausfallarbeit durch Maßnahmen des Einspeisemanagements betrug in Deutschland in 2014 insgesamt knapp 1,58 TWh (= 1,58 Milliarden Kilowattstunden), was rund einem Prozent der erzeugten erneuerbaren Energie im Strombereich entspricht. Die Ausfallarbeit dürfte in den nächsten Jahren noch zunehmen, bis diese Zahlen durch den dann erfolgten Netzausbau wieder zurückgehen. Zum Vergleich: Mit 1 TWh elektrischer Energie ließe sich ungefähr soviel Wärme erzeugen wie durch die Verbrennung von 100 Millionen Litern Heizöl, die mit CO2-Emissionen von ca. 260 000 Tonnen verbunden wäre.

In dieser Situation sucht man natürlich nach Möglichkeiten für eine sinnvolle Nutzung der betroffenen Energiemengen. Hierfür wird der Einsatz zuschaltbarer Lasten diskutiert. Es müsste sich um elektrische Verbraucher handeln, die nicht ohnehin betrieben werden, sondern eben erst auf Anforderung des Netzbetreibers für begrenzte Zeit (z. B. für jeweils einige Stunden) aktiviert werden. Alternativ könnte man Lasten einsetzen, deren Verbrauch sich mit Erzielung eines nützlichen Effekts zeitweise über das normale Maß hinaus erhöhen lässt; auch das stellt ein Lasterhöhungspotenzial dar. Effektiv gewinnt man damit eine zusätzliche Methode des Lastmanagements als einen sinnvollen Ersatz für das Einspeisemanagement.

Natürlich müssen die eingesetzten Lasten immer einen deutlichen Nutzeffekt haben; es wäre beispielsweise nichts gewonnen, wenn tagsüber unnötig die Straßenbeleuchtung aktiviert würde, weil man dann genauso gut die überschüssige Stromerzeugung abregeln könnte.

Infrage kommende Arten zuschaltbarer Lasten

Power to Heat und Wärmepumpen

Die wohl naheliegendste Technologie für zuschaltbare Lasten ist Power to Heat, d. h. die Erzeugung von Elektrowärme mithilfe von Elektroheizstäben, Elektrodenkesseln oder ähnlichen Einrichtungen. Solange diese betrieben werden, können Sie Wärme erzeugen, die sonst mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas oder Heizöl erzeugt würde. Der Nutzen des Betriebs besteht also einerseits in der Einsparung von Kosten für solche Brennstoffe und andererseits in der Vermeidung von klimaschädlichen CO2-Emissionen. Zwar ist die Erzeugung von Elektrowärme keine besonders effiziente Stromanwendung, aber dieser Ansatz hat den wesentlichen Vorteil relativ geringer Investitionskosten. Somit könnten erhebliche Kapazitäten mit moderatem Aufwand erstellt werden, und der finanzielle Nutzeffekt würde auch bei einer relativ geringen Anzahl von Nutzungsstunden pro Jahr (z. B. einige hundert) nicht durch die Investitionskosten zunichte gemacht. Da sich Wärme zumindest für kurze Zeiträume relativ gut speichern lässt, kann zudem oft auch ohne weiteres zeitweise eine deutlich höhere Leistung bezogen werden, als sie vom Wärmeverbrauch her benötigt würde.

Wärmepumpen sind als zuschaltbare Lasten wegen ihrer höheren Investitionskosten meist weniger geeignet.

Eine wesentlich energieeffizientere Methode der Wärmeerzeugung mit Strom wäre die Verwendung von Elektrowärmepumpen: Je nach Temperaturniveaus, die die Leistungszahl wesentlich bestimmen, könnte mit der gleichen Strommenge ein Mehrfaches an Wärme erzeugt werden. Hier liegen allerdings die Investitionskosten viel höher als z. B. bei Elektroheizstäben, was gerade bei einem Einsatz für nur eine relativ geringe Anzahl von Stunden pro Jahr problematisch ist. Hinzu kommt, dass wegen der begrenzten Temperaturen die Wärmespeicherung aufwendiger ist: Man benötigt für die gleiche Wärmemenge ein wesentlich größeres Volumen beispielsweise eines wassergefüllten Pufferspeichers. Deswegen würde man noch am ehesten Wärmepumpen, die normalerweise mit einer begrenzten Leistung relativ effizient arbeiten, zeitweise (als zuschaltbare Last) mit höherer Leistung betreiben, selbst wenn die Energieeffizienz dabei etwas reduziert würde.

Power to Gas

Es gibt verschiedene Verfahren zur Herstellung von so genanntem EE-Gas, die mit Power to Gas bezeichnet werden. Im Prinzip könnten solche mit Stromüberschüssen z. B. Methan erzeugen, welches in das Erdgasnetz eingespeist würde; damit würde also ein Teil des von Gasheizungen und Gaskraftwerken verbrauchten Erdgases ersetzt.

Auch bei Power to Gas sind die hohen Investitionskosten das entscheidende Problem.

Die Hauptschwierigkeit besteht in den erheblichen Investitionskosten, die bei einer geringen Zahl von Nutzungsstunden pro Jahr wohl deutlich zu hoch wären. Zudem wäre die eingesparte Menge von Erdgas deutlich geringer als bei Power to Heat nahe einem Gasheizkessel, da bei der Erzeugung von EE-Gas erhebliche Energieverluste auftreten. (Für die Erweiterung zu Power to Liquid sind diese Probleme sogar noch größer.) Aus diesen Gründen erscheint die technisch viel einfachere Lösung Power to Heat in diesem Bereich als sehr viel attraktiver.

Elektrofahrzeuge

Im Prinzip könnten Batterien von Elektroautos und anderen Elektrofahrzeugen gezielt auf Anforderung vom Netzbetreiber geladen werden. Damit würden Energiespeicher, die ohnehin schon vorhanden sind, gezielt für das Lastmanagement eingesetzt – am ehesten bei größeren Fuhrparks. Das Problem ist allerdings, dass man dann sicherstellen müsste, dass jederzeit eine genügend große Zahl von Fahrzeugen mit nicht bereits voll geladenen Batterien zum Laden bereit steht. Dies dürfte in der Praxis schwierig zu erreichen sein. Schließlich gibt es gleichzeitig das Bedürfnis, dass viele Fahrzeuge jederzeit auch für den Einsatz verfügbar sind. Nachdem die Reichweite von Elektrofahrzeugen ohnehin meist eher knapp bemessen ist, dürfte es hier nicht allzu viel Spielraum geben.

Wegen der sehr begrenzten Kapazität der Fahrzeugbatterien bräuchte es hierfür auch eine große Anzahl von Elektrofahrzeugen. Wenn in Deutschland gelegentlich 1 GW überschüssiger Leistung für einige Stunden eingesetzt werden müsste, und Elektrofahrzeuge davon auch nur ein Prozent übernehmen sollten, wären das 10 MW Leistung und einige Dutzend Megawattstunden. Wenn pro Fahrzeug rund 10 kWh aufgenommen werden könnten, bräuchte man hierfür mehrere tausend Fahrzeuge – wobei wohlgemerkt nur der Teil der vorhandenen Fahrzeuge zählt, der zu jeder Zeit garantiert zum Laden bereitsteht.

Elektrolyse

Anlagen, die zeitweise mit höherer Leistung als im Normalfall betrieben werden können, sind geeignet als zuschaltbare Lasten mit sehr geringen Investitionskosten.

In manchen Sektoren der Industrie wird relativ viel elektrische Energie für Elektrolyseanlagen benötigt – etwa bei der Herstellung von Aluminium, Wasserstoff und Chlor. Da sich die Produkte der Elektrolyse gut speichern lassen, bieten sich solche Verbraucher für einen flexiblen Stromeinsatz an. Allerdings liegen die spezifischen Investitionskosten relativ hoch, wenn eigens hierfür zusätzliche Anlagen gebaut werden. Es ist aber oft möglich, eine Elektrolyseanlage zeitweise mit erhöhter Leistung zu betreiben, was zwar wegen der dann höheren Zellenspannung eine geringere Energieeffizienz bedeutet, aber immerhin eine erhöhte Ausbeute der hergestellten Produkte. Mit diesem Ansatz lassen sich zuschaltbare Lasten viel kostengünstiger bereitstellen; deswegen ist eine etwas reduzierte Energieeffizienz hinnehmbar.

Andere industrielle Verbraucher

Vor allem die Papierindustrie hätte die Möglichkeit, zuschaltbare Lasten in erheblichem Umfang bereitzustellen. In geringerem Maße kämen Elektrostahlwerke, Zementwerke, Anlagen für die Luftzerlegung und die Glasindustrie infrage.

Wirtschaftliche Aspekte

Warum werden zuschaltbare Lasten bisher kaum eingesetzt?

Bislang wird der Einsatz zuschaltbarer Lasten für die Nutzung von Stromüberschüssen in vielen Fällen dadurch unmöglich gemacht, dass die zu zahlenden Strompreise zu hoch sind. Selbst wenn der Börsenstrompreis bei null liegt oder gar negativ ist, wird der Strompreis vom Staat auf verschiedene Weisen belastet, insbesondere mit Netznutzungsentgelten, der EEG-Umlage und der Stromsteuer. Diese Abgaben sind eindeutig kontraproduktiv, wenn sie eine sinnvolle Energienutzung verhindern, die ohne wesentliche zusätzliche Kosten für die Infrastruktur oder deren Betrieb möglich wäre. Beispielsweise kommt der Ersatz von Erdgas durch überschüssigen Strom für einen industriellen Verbraucher nicht infrage, wenn die Kilowattstunde Wärme aus Erdgas wenige Cent kostet, eine Kilowattstunde Strom aber alleine durch die genannten Abgaben deutlich teurer wird. Dabei wäre es nicht nur ökologisch, sondern auch volkswirtschaftlich günstiger, diesen Strom tatsächlich einzusetzen.

Eine Befreiung von diversen Abgaben auf Strom, der von zuschaltbaren Lasten verbraucht wird, wäre volkswirtschaftlich wie auch ökologisch sinnvoll.

Deswegen wird derzeit erwogen, den Einsatz zuschaltbarer Lasten unter noch zu bestimmenden Bedingungen ganz oder teilweise von den genannten Abgaben zu befreien; das Energiewirtschaftsgesetz könnte entsprechend ergänzt werden. In einem Gutachten [1] wurden kürzlich konkrete Vorschläge hierfür ausgearbeitet. Um eine möglichst sinnvolle Nutzung der betroffenen Strommengen zu ermöglichen, wurde ein Ausschreibungsmodell ähnlich dem für Regelenergie bereits existierenden vorgeschlagen. Die Teilnehmer (d. h. die Betreiber der Lasten) müssten zunächst eine Qualifikation durchlaufen; in diesem Zusammenhang würden sie nachweisen, dass sie zuschaltbare Lasten in gewissem Umfang tatsächlich bereitstellen können und gewisse zusätzliche Bedingungen erfüllen können. Mit beispielsweise täglich erfolgenden Ausschreibungen (soweit Stromüberschüsse erwartet werden) könnten dann diejenigen Teilnehmer den Strom erhalten, die das höchste Gebot hierfür abgeben; das wären natürlich etwa diejenigen, die mit dem Stromeinsatz den höchsten finanziellen Nutzen erzielen können. Ein solches Verfahren könnte in den nächsten Jahren dazu dienen, in Deutschland pro Jahr Energiemengen in der Größenordnung von einer Terawattstunde (TWh) oder etwas mehr einer Nutzung zuzuführen. Hierfür würden zuschaltbare Lasten mit einer Gesamtleistung in der Größenordnung von einem Gigawatt benötigt, was realistisch erscheint.

Literatur

[1]Gutachten zu zuschaltbaren Lasten für das Ministerium für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holstein, angefertigt von der Stiftung Umweltenergierecht und dem Fraunhofer Institut für System- und Innovationsforschung ISI, http://stiftung-umweltenergierecht.de/wp-content/uploads/2016/03/SUER_ISI_Gutachten-zu-zuschaltbaren-Lasten_FINAL.pdf

(Zusätzliche Literatur vorschlagen)

Siehe auch: Einspeisemanagement, Lastmanagement, Abregelung, Ausfallarbeit, Rundsteuertechnik, unterbrechbare Verbrauchseinrichtung, erneuerbare Energie, Power to Heat, Power to Gas, Energiespeicher
sowie andere Artikel in der Kategorie elektrische Energie

Alles verstanden?


Frage: Warum werden zuschaltbare Lasten bisher kaum eingesetzt?

(a) weil die Technologie hierfür noch entwickelt werden muss

(b) weil es kaum Strom gibt, der hierfür zur Verfügung stehen würde

(c) weil diverse Abgaben den Strom zu teuer machen

(d) weil das Ziel sein muss, den Stromverbrauch so weit wie möglich zu vermindern


Frage: Was kann man über die Energieeffizienz zuschaltbarer Lasten sagen?

(a) Häufig ist sie geringer als bei anderen Stromanwendungen.

(b) Die Energieeffizienz der gesamten Energieversorgung kann dadurch erhöht werden.


Siehe auch unser Energie-Quiz!

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