Angesichts der Herausforderungen der Energiewende gewinnt das Management von Energieressourcen an Bedeutung. Energiemanagementsysteme (EMS) unterstützen Unternehmen dabei, Energie effizient zu verwalten, Transparenz über Energieverbräuche zu gewinnen, den Energieeinsatz bspw. hinsichtlich der Kosten zu optimieren und so nachhaltig zu wirtschaften. Durch systematisches und langfristiges Energiemanagement können Unternehmen durch die Reduktion von CO2 außerdem wesentlich zum Klimaschutz beitragen und sind in der Lage, neue gesetzliche Anforderungen zu erfüllen. Der folgende Artikel erklärt die Grundlagen von Energiemanagementsystemen, ihre Funktionsweise sowie einige praktische Anwendungsbeispiele.
Was ist ein EMS bzw. EnMS?
Die Abkürzungen EMS und EnMS bezeichnen beide Energiemanagementsysteme. Jedoch gibt es subtile Unterschiede in der Verwendung der beiden Abkürzungen.
Die allgemeine und häufiger verwendete Abkürzung EMS beschreibt ein technisches System zur Überwachung, Steuerung und Optimierung des Energieverbrauchs in Unternehmen. Systeme dieser Art können branchenübergreifend eingesetzt werden und legen den Fokus primär auf die technische Umsetzung und Optimierung von Prozessen zur Verbesserung von energetischen Prozessen in einem abgegrenzten Unternehmenskontext, wie z.B. der Fertigung oder das Fuhrparkmanagement einer elektrifizierten Fahrzeugflotte.
Die Abkürzung EnMS hingegen definiert ein Energiemanagementsystem, welches einen strategischen Ansatz des Energiemanagements unter dem Aspekt der systematischen und kontinuierlichen Verbesserung der Energieeffizienz eines gesamten Unternehmens bzw. einer größeren Organisation verfolgt. Aus diesem Grund wird diese Abkürzung häufig im Kontext ISO 50001 zertifizierter Managementsysteme verwendet. Ein wesentliches Merkmal derartiger Systeme ist die Umsetzung bzw. Anwendung eines iterativen PDCA (Plan-Do-Check-Act) Prozesses. Dieser umfasst die Planung von Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz, die Umsetzung der geplanten Maßnahmen, die Überprüfung ihrer Wirksamkeit sowie die kontinuierliche Anpassung und Optimierung dieser im Kontext des EnMS. Zu den Maßnahmen können unter anderem die Festlegung von Zielen der Energieeinsparung bzw. Energieeffizienz, die Definition von Kennzahlen, die Identifikation von Hauptenergieverbrauchern und Energiequellen, die Schulung relevanter Mitarbeiter sowie eine jährliche interne Überprüfung der Maßnahmen gehören.
DIN EN ISO 50001
Wie im vorherigen Abschnitt erläutert, beschreibt die Abkürzung EnMS vorrangig strategisches Energiemanagement. Für Unternehmen mit einem Energieverbrauch über 7,5 GWh pro Jahr ist die Einführung eines solchen Energiemanagementsystems ab dem 1. Januar 2024 auf Grundlage des Energieeffizienzgesetzes (EnEfG) verpflichtend. Die Zertifizierung eines solchen Systems nach DIN EN ISO 50001 (früher: DIN EN 16001) ist in Deutschland für Unternehmen mit hohem Energieverbrauch Voraussetzung, um von der EEG-Umlage (Erneuerbaren-Energie-Gesetz) teilweise befreit zu werden. Künftig wird diese Regelung auch auf Unternehmen des produzierenden Gewerbes ausgeweitet, die von der Strom- und Energiesteuer entlastet werden können. Für alle anderen Unternehmen ist die Einführung freiwillig.
Bestandteile und Funktionsweise eines EMS
Die genaue Funktionsweise eines EMS kann je nach den spezifischen Anforderungen, Anwendungsbereich und Zielen der Organisation variieren. Wie bereits erwähnt, sind einige EMS spezialisiert auf bestimmte Branchen oder Szenarien, während andere möglichst viele verschiedene Use Cases abdecken können. Insgesamt zielt ein EMS darauf ab, den Energieverbrauch zu optimieren, Kosten zu senken, Umweltauswirkungen zu minimieren und die Nachhaltigkeit zu verbessern.
Die Hauptbestandteile eines typischen Energiemanagementsystems umfassen:
- Datenerfassung und Überwachung: Ein EMS sammelt Daten über den Energieverbrauch, die Energieerzeugung sowie viele andere relevante Parameter. Dies kann durch den Einsatz von Sensoren und Messgeräten geschehen.
- Datenanalyse: Die gesammelten Daten werden analysiert, um Muster und Trends im Energieverbrauch zu identifizieren. Diese Analyse ermöglicht es, Einsparungspotentiale im Energieverbrauch sowie Optimierungsmöglichkeiten zu identifizieren. Auf Basis dieser Daten kann ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess etabliert werden, um gewählte Strategien zur Energieeinsparung zu überprüfen und anzupassen.
- Steuerung und Regelung: Ein EMS ermöglicht es, Energieverbraucher, -speicher und -produzenten automatisch zu steuern und zu regeln. Dieses Lastmanagement geschieht mithilfe von verschiedenen Konzepten, wie z. B. Lastspitzenkappung (Peak Shaving), Lastverschiebung (Load Shifting), Eigenverbrauchsoptimierung und Nulleinspeisung. Zudem kann das EMS von externen Stellen wie Verteilnetzbetreibern gesteuert werden, um im Bedarfsfall die Netzstabilität im Regelkreis zu gewährleisten.
- Reporting: Das System stellt die gesammelten Datenpunkte in einen zeitlichen Zusammenhang und ermöglicht damit die Analyse verschiedener Lastszenarien. Es erstellt außerdem Berichte über den Energieverbrauch, die erreichten Einsparungen und andere relevante Informationen. Diese Berichte sind oft wichtig für die interne Kontrolle und externe Berichterstattung.
Die folgende Grafik zeigt ein System aus Energieverbrauchern sowie Energieproduzenten inklusive eines Netzanschlusspunktes. Diese Verbraucher und Produzenten werden durch das EMS geregelt bzw. gesteuert. Es stellt quasi das Gehirn dar, welches die Energieflüsse anhand definierter Regeln und Parameter intelligent lenkt.
Arten von EMS
Energiemanagementsysteme gibt es in unterschiedlichen Varianten. Eine Klassifizierung erfolgt hierbei nach dem jeweiligen Anwendungsbereich. Es wird dabei in die folgenden Varianten unterschieden:
- Home Energy Management System (HEMS): Ein HEMS ist darauf ausgerichtet, den Energieverbrauch in Privathaushalten zu überwachen, zu steuern und zu optimieren. Typischerweise umfasst ein solches System Geräte wie z. B. intelligente Thermostate, Smart Metering-Systeme und steuerbare Steckdosenleisten. Über Smartphone-Apps ist es den Hausbesitzern möglich, ihren Energieverbrauch zu kontrollieren und durch entsprechende Handlungen bzw. Optimierungen zu reduzieren. Ein HEMS kann auch die Integration erneuerbarer Energien wie Solarenergie sowie die Steuerung von Energieverbrauchern wie Heizung, Klimaanlage, Beleuchtung, Ladepunkte für Elektroautos sowie anderen Haushaltsgeräten umfassen.
- Building Energy Management System (BEMS): Ein BEMS wird in gewerblichen und industriellen Gebäuden sowie größeren Wohneinheiten eingesetzt, um den Energieverbrauch zu überwachen, zu steuern und zu optimieren. Es umfasst typischerweise Technologien wie Gebäudeautomationssysteme, HVAC-Steuerungen (Heizung, Lüftung, Klimaanlage, Wärmepumpe), Beleuchtungssteuerungen, Smart Metering-Systeme und ebenso weitere Energiemanagement-Software. Ein BEMS ermöglicht es dem Betreiber, den Energieverbrauch ihrer Gebäude zu optimieren, die Betriebskosten zu senken und den Komfort der Nutzer zu verbessern.
- Community Energy Management System (CEMS): Ein CEMS kommt zum Einsatz, um den Energieverbrauch einer Gruppe von Gebäuden oder einer ganzen Gemeinde zu überwachen und zu steuern. Es zielt darauf ab, Synergien zwischen den verschiedenen Akteuren innerhalb des betrachteten Clusters zu nutzen, um den Energieverbrauch zu minimieren, vorrangig die Nutzung erneuerbarer Energien zu maximieren und die Effizienz des Energieeinsatzes zu verbessern.
- Factory Energy Management System (FEMS): Die FEMS sind Systeme, welche den Energieverbrauch in einer industriellen Anlage überwachen und steuern. Sie können dabei verschiedene Funktionen von HEMS-, BEMS- und CEMS-Systemen umfassen, sind aber speziell für die Herausforderungen der industriellen Fertigung ausgelegt. FEMS-Systeme können zusätzlich auch Funktionen umfassen, die auf Prozessoptimierung, vorbeugende Wartung sowie Compliance Management ausgelegt sind.
Allgemein kann man festhalten, dass HEMS, BEMS, CEMS und FEMS verschiedene Arten von Energiemanagementsystemen klassifizieren, die den Energieverbrauch in unterschiedlich dimensionierten Umgebungen bzw. aus Netzsicht auch aus verschiedenen Perspektiven überwachen und steuern.
Anwendungsbereiche
Energiemanagementsysteme finden in zahlreichen, unterschiedlichen Szenarien ihren Einsatz und eröffnen Unternehmen ebenfalls neue Möglichkeiten, digitale Produkte zu entwickeln oder Services miteinander zu vernetzen. Im Folgenden werden exemplarisch Anwendungsbereiche bzw. Use Cases für Energiemanagementsysteme erläutert.
Ausbau und Bereitstellung von Ladeinfrastruktur
Die Elektrifizierung des Verkehrs führt zu einer steigenden Nachfrage nach Ladeinfrastruktur. Zusätzlich sind gesetzliche Initiativen auf Länder- und auch EU-Ebene durch u. a. die EU-Gebäudeeffizienzrichtlinie EBPD dafür verantwortlich, dass neue Marktteilnehmer Verantwortung für den Ausbau von Ladeinfrastruktur an Nichtwohngebäuden tragen. So muss der Handel für jeden 10. Parkplatz bei Bestandsgebäuden sowie für jeden 5. Parkplatz bei neu errichteten Gebäuden eine Ladesäule für Elektrofahrzeuge bereitstellen. Der Handelsverband Deutschland (HDE) vermeldet, dass mittlerweile mehr als 15 % aller öffentlich zugänglichen Ladepunkte durch den Handel bereitgestellt werden. Zudem wird jeder 3. Schnellladepunkt in Deutschland auf einem Handelsparkplatz errichtet.
Die Erweiterung der Ladeinfrastruktur ist aus verschiedenen Gründen nicht immer problemlos möglich und zusätzlich sehr teuer, da z. B. vorhandene Netzanschlussleitungen erst ausgebaut werden müssen, um die notwendige Kapazität bereitzustellen. In dieser Situation kann die Installation eines EMS nebst Pufferspeicher helfen. Unter Verwendung von Peak Shaving und dynamischem Lastmanagement der Ladesäulen kann die Ladeinfrastruktur so betrieben werden, dass das physikalische Leistungslimit des Netzanschlusspunktes nicht überschritten wird. Hohe Ladeleistungen bleiben dennoch möglich. Beim dynamischen Lastmanagement werden vom EMS Verbraucher und flexible Lasten identifiziert und entsprechend gesteuert. Beispielsweise kann der Verbrauch von Ladeinfrastruktur für Mitarbeiter am Unternehmensstandort herab geregelt werden, um den Verbrauch anderer, höher priorisierter Verbraucher wie z. B. Produktionsanlagen zu decken.
Wird dieses System mit erneuerbaren Energien wie einer PV-Anlage kombiniert, kann auch eine Eigenverbrauchsoptimierung durch das EMS in Betracht gezogen werden, um möglichst viel der lokal erzeugten Energie auch direkt vor Ort zu nutzen. Weitere Informationen zu diesem beschriebenen Use Case können Sie unserer Case Study zu „EV-Boost Box“ entnehmen.
Energiemanagement für industrielle Anlagen
Steigende Energie- und Rohstoffpreise sorgen vor allem in der produzierenden Industrie sowie im Handels-, Gewerbe- und Dienstleistungssektor für Unsicherheiten bei der betrieblichen Energieplanung und dem -management. So lag der Strompreis im Jahr 2022 im Jahresmittel bei sehr hohen 43,20 ct/kWh (2021: 21,38 ct/kWh, 2023: 24,46 ct/kWh). Wenngleich die Energiepreise steigen, ist der Endenergieverbrauch in Deutschland seit den 1990er Jahren insgesamt auf einem stabilen Niveau von etwa 2500 Terawattstunden. Während Energie also immer effizienter genutzt und teilweise eingespart wird, verhindern Wirtschaftswachstum und Steigerung des Verbrauchs einen nachhaltigen Rückgang des Energiebedarfs. 2022 lag der Endenergieverbrauch von Strom (inklusive erneuerbarem Strom) in der Industrie bei 203 Terawattstunden und damit vor allen anderen Sektoren (Privathaushalte, Gewerbe, Handel, Dienstleistung sowie Verkehr).
In Anbetracht hoher Preisschwankungen und stabilem Energiebedarf stellen Energiekosten einen entscheidenden Wettbewerbsfaktor für Industriebetriebe dar. Der Einsatz von Energiemanagementsystemen kann Unternehmen daher helfen, wirtschaftlich erfolgreich an internationalen Märkten zu bestehen und gleichzeitig CSR (Corporate Social Responsibility) Vorgaben im Sinne eines nachhaltigen unternehmerischen Handelns einzuhalten. Nicht zuletzt können durch effizientes Energiemanagement die Kosten für Brennstoffe und damit auch der Ausstoß von CO₂ gesenkt werden.
Im Zentrum der Maßnahmen steht dabei das Management von Hochlast-Szenarien zur Vermeidung hoher Netzentgelte sowie Leistungspreise. Unternehmen mit einer Abnahme von mehr als 100.000 kWh/Jahr sind verpflichtet, eine sogenannte registrierende Lastgangmessung durchzuführen. Dabei wird der Stromzähler durch den Netzbetreiber in einem Intervall von 15 Minuten abgefragt, um den individuellen Lastgang des Unternehmens zu ermitteln, welcher das typische Verbrauchsverhalten abbildet. Aus diesem Lastgang wird für die Ermittlung des Leistungspreises der höchste gemittelte Viertelstundenwert des Verbrauchs einer Abrechnungsperiode zugrunde gelegt. Aus diesem Grund kann allein eine einzelne, hohe Lastspitze innerhalb eines Jahres die Energiekosten enorm steigern. In einem solchen Szenario wird in der Regel eine entsprechend konfigurierte Lastspitzenkappung eingesetzt.
Um flexiblere Szenarien zu realisieren, kann der Betrieb bei komplexeren Anforderungen auch nach dem sogenannten „Multi Use“ Prinzip erfolgen. Das bedeutet, dass Speicher für verschiedene Anwendungsfälle gleichzeitig genutzt werden können. Dafür werden ein Schwellenwert für den State of Charge (SoC) des Batteriespeichers sowie verschiedene Betriebskonzepte definiert, welche je nach aktuellem SoC-Stand angewendet werden. In der Regel wird dabei das Konzept der Eigenverbrauchsoptimierung verwendet und beim Unterschreiten des SoC-Schwellenwertes auf den Betrieb mit Lastspitzenkappung gewechselt, um Speicher mithilfe einer definierten Netzbezugsobergrenze wieder zu laden, wenn ansonsten keine Lasten anliegen.
Ein weiterer möglicher Baustein für intelligentes Energiemanagement im Umfeld von Unternehmen stellt die sogenannte Lastverschiebung dar. Ziel dabei ist es, nicht-essenzielle Prozesse bzw. Anwendungen zeitlich zu verschieben, um teure Hochlastspitzen zu vermeiden oder Zeiten mit günstigeren Strompreisen zu nutzen.
Energievermarktung
Energievermarktung oder auch Energy Trading bezieht sich auf den Kauf und Verkauf von Energieprodukten und -dienstleistungen auf dem Markt. Dieser Markt kann lokal, national oder international sein und umfasst verschiedene Arten von Energie, wie z. B. Erdgas, Öl sowie erneuerbare Energien. Ziel ist die Erzielung von Gewinnen durch den Handel mit Energieprodukten, ähnlich wie beim Handel mit anderen Finanzinstrumenten.
Für den Handel von Strom gibt es vielfältige Möglichkeiten, die es Unternehmen ermöglichen, ihren Strombedarf zu decken oder überschüssigen Strom gewinnbringend zu vermarkten. Auch hierbei können Energiemanagement-Lösungen zur Automatisierung beitragen, sodass Stromkonsumenten und -produzenten zu Prosumer werden. Im Folgenden werden einige Vermarktungsmöglichkeiten exemplarisch erläutert:
- Terminverträge bzw. Stromlieferungsverträge (Power Purchase Agreements, PPA) über verschiedene Zeithorizonte, z. B. monatlich, quartalsweise oder jährlich. Diese Art der Vermarktung bzw. des Bezuges von Strom ist langfristig angelegt und je nach Zeithorizont für Unternehmen gut planbar, kann jedoch zu niedrigeren Erträgen bei Vermarktung bzw. höheren Energiekosten bei Bezug im Vergleich mit anderen Vermarktungsmodellen führen. Unterschieden werden die Produkte nach base (Grundbedarf) sowie peak (Spitzenbedarf).
- Die kurzfristige, flexiblere Vermarktung von Strom erfolgt über die Strombörse bzw. Spotmarkt (EEX, EPEX). Es gibt hierbei verschiedene Modelle für die Vermarktung: Day-ahead bzw. Intraday Vermarktung. Beim Day-Ahead Handel in Deutschland können Produzenten wie auch Verbraucher bis 12 Uhr ihre Gebote für den Kauf oder Verkauf von Strommengen für jede Stunde des Folgetages abgeben. Im Gegensatz zum Day-Ahead-Handel, der den Strombedarf für den nächsten Tag plant, ermöglicht der Intraday-Handel den Handel von Stromlieferungen innerhalb des gleichen Tages bis kurz vor der eigentlichen Lieferung in 15 Minuten Intervallen. In Zeiten, in denen sehr viel erneuerbarer Strom ins Netz eingespeist wird und gleichzeitig die Nachfrage sinkt, kann es sogar zu negativen Strompreisen kommen. Das bedeutet, dass Unternehmen in diesen Situationen für den Kauf von Strom sogar Geld erhalten. Durch den steigenden Zubau von erneuerbaren Energien wird dieses Szenario in Zukunft häufiger auftreten. Die kleinste handelbare Einheit im Day-Ahead sowie Intraday-Handel beträgt 0,1 MWh.
- Regelenergie: Um das Stromnetz stabil betreiben zu können, müssen das Angebot und die Nachfrage nach Strom im Gleichgewicht gehalten werden. Um Schwankungen zu jedem Zeitpunkt ausgleichen zu können, wird sogenannte Regelenergie oder auch Regelleistung zur Stabilisierung der Stromnetzfrequenz vorgehalten. Am sog. Regelenergiemarkt (RAM) werden täglich von den 4 Übertragungsnetzbetreibern in Deutschlands entsprechende Kapazitäten auf einer öffentlichen Plattform ausgeschrieben bzw. angeboten. Es wird hierbei in 3 Arten von Regelenergie unterschieden:
- Primärregelenergie (PRL, ~30 Sekunden)
- Sekundärregelenergie (SRL, 30s – 60 Minuten)
- Minutenreserve (MRL, 5 – 60 Minuten)
Diese kurzfristigen Schwankungen werden immer häufiger von großen Batteriespeicheranlagen statt konventioneller Kraftwerke ausgeglichen, da diese schneller sowohl einen positiven als auch einen negativen Abruf – also eine Reaktion auf Über- bzw. Unterversorgung von Strom – reagieren können.
Die Vermarktung von Strom und Energie ist ein Schlüsselfaktor, um Energieressourcen in einem größeren Kontext, einem sogenannten Bilanzkreis, effizient zu nutzen und die Stabilität sowie Flexibilität der Netze aufrechtzuerhalten. Je nach Art der Vermarktung können Prosumer direkt am entsprechenden Markt teilnehmen oder über verschiedene Drittanbieter ihren Strom zum Beispiel als Teil eines virtuellen Kraftwerkes vermarkten lassen. Unternehmen können so wirtschaftliche Vorteile erzielen, indem sie am Spotmarkt günstiger Strom einkaufen oder überschüssige Kapazitäten z. B. als Reserve zur Netzstabilisierung vorhalten können.
Auch für private Endkunden gibt es mittlerweile erste Anbieter, die smarte Stromtarife anbieten. Diese Tarife geben den Vorteil der dynamischen Preisbildung des Strommarktes an den Endkunden weiter. Insbesondere zu Tageszeiten mit einer hohen Quote von erneuerbarem Strom im Stromnetz kann man so von günstigen Marktpreisen profitieren. Durch den Einsatz eines intelligenten HEMS kann der Nutzer so z. B. die Ladung seines Elektroautos in die Tageszeiten mit günstigem Stromangebot verlegen und so Geld sparen.
