Energieflexibilität bezeichnet die Fähigkeit eines Systems, seinen Energiebezug an sich verändernde Rahmenbedingungen (z. B. volatile Energiepreise oder regulatorische Änderungen) anzupassen. Prinzipiell können verschiedene Energiearten (Strom, Wärme, Erdgas,..) mit dem Begriff beschrieben werden. Im Kontext der Energiewende wird der Begriff vor allem verwendet, um Maßnahmen zu beschreiben, die zur Befähigung des Stromsystems zur Aufnahme weiterer volatiler erneuerbarer Energiequellen wie Wind und Solarkraftwerke notwendig sind. Der Begriff “Energieflexibilität” stellt somit eine Erweiterung des Begriffs der “Stromnetzflexibilität”International Renewable Energy Agency (Hrsg.): Power System Flexibility for the Energy Transition. 2018. (irena.org) dar, wird jedoch häufig synonym dazu verwendet.
Hintergrund Fossile Kraftwerke können ihre Erzeugungsleistung an die von den Stromverbrauchern vorgegebenen Lastprofile anpassen. Volatile erneuerbare Energiequellen speisen hingegen wetterabhängig in das Netz ein, ohne sich nach dem Bedarf von Stromverbrauchern zu richten. In Zukunft werden also Lösungen benötigt, die es ermöglichen, dass der Strombedarf flexibel an das Stromangebot angepasst werden kann, um die Balance im System aufrechtzuerhalten. Derzeit diskutierte Flexibilitätsmaßnahmen für das Stromnetz sind:
Ausbau der Stromnetze (z. B. um Strom aus den Windparks im Norden zu den Industriezentren im Süden zu transportieren) und Maßnahmen zur Entwicklung eines intelligenten Stromnetzes Ausbau elektrischer Energiespeicher (z. B. Batterie-Speicherkraftwerke) Maßnahmen der Sektorenkopplung (z. B. Power-to-Heat, Power-to-Gas, Power-to-X) Verbraucherseitige Energieflexibilität: Fähigkeit der Verbraucher zur Beeinflussung ihres Strombezugsprofils (siehe auch Laststeuerung als Bestandteil des elektrischen Lastmanagements, dem sogenannten Demand Side Management)459x459px|mini|alt=Energieflexibler Lastgang als Differenz zum Referenzlastgang|Energieflexibler Lastgang als Differenz zum Referenzlastgang
Die Flexibilisierung der Verbrauchsseite reduziert demnach den Bedarf an Investitionen in Netzausbau und Speicherkapazitäten. Stromverbraucher können auf verschiedenen Wegen Einfluss auf ihr Bedarfsprofil nehmen. Der Begriff “Demand Side Management” beinhaltet sowohl Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz (Senkung der durchschnittlichen elektrischen Leistungsaufnahme), also auch Maßnahmen zur Lastverschiebung (Gleichbleibende durchschnittliche elektrische Leistungsaufnahme) und Elektrifizierung (Steigerung der durchschnittlichen Leistungsaufnahme).Qi Zhang, Ignacio E. Grossmann: Planning and Scheduling for Industrial Demand Side Management: Advances and Challenges. In: Mariano Martín (Hrsg.): Alternative Energy Sources and Technologies. Springer, 2016, S. 383–414, doi:10.1007/978-3-319-28752-2_14 Generell kann das Potenzial einer Energieflexibilitätsmaßnahme quantifiziert werden, indem die Differenz aus dem elektrischen Lastgang im Normal- bzw. Referenzbetrieb und dem elektrischen Lastgang im energieflexiblen Betrieb gebildet wird.
Energieflexibilitätsmaßnahmen mit dem Ziel der Lastverschiebung in Privathaushalten sind zum Beispiel die Fernsteuerung elektrischer Wärmepumpen durch einen Dienstleister oder die Nutzung von Nachtspeicherheizungen.Peter D. Lund, Juuso Lindgren, Jani Mikkola, Jyri Salpakari: Review of energy system flexibility measures to enable high levels of variable renewable electricity. In: Renewable and Sustainable Energy Reviews. Volume 45, 2015, S. 785–807, doi:10.1016/j.rser.2015.01.057 Im Industriesektor ist die Identifikation von Energieflexibilitätsmaßnahmen deutlich komplexer als im privaten Sektor und dem Verkehrssektor, da die Verbraucherstruktur deutlich heterogener ist. Fabriken sind sehr unterschiedlich aufgebaut und haben komplexe technische und regulatorische Rahmenbedingungen, die die Quantifizierung des Energieflexibilitätspotenzials beeinflussen. Vor diesem Hintergrund werden derzeit in verschiedenen Forschungsprojekten wie SINTEG WindNODE und Kopernikus SynErgie neue Analyse- und Optimierungsmethoden entwickelt, die den Industriesektor zu einem energieflexiblen Betrieb befähigen sollen. Diese sind im folgenden Artikel näher beschrieben und sind auch auf die anderen Sektoren übertragbar.
Vorteile von Energieflexibilität für die Gesellschaft Aufgrund physikalischer Charakteristika müssen sich im Stromsystem die Stromerzeugung und der Stromverbrauch – in einem gewissen Intervall – immer im Gleichgewicht befinden. Falls dies nicht gewährleistet werden kann, ist die Stabilität des Stromsystems gefährdet. Die Sicherstellung des Gleichgewichts von Stromerzeugung und -verbrauch wird durch den sukzessiven Ausbau von volatilen erneuerbaren Energien zunehmend herausfordernd. Sowohl durch die eingeschränkte Steuerbarkeit als auch durch die begrenzte Prognose der Stromeinspeisung aus erneuerbaren Energien müssen Schwankungen auf der Stromerzeugungsseite ausgeglichen werden. Diesbezüglich kann die Nachfrageflexibilität von Unternehmen genutzt werden, um Nachfrageseitig auf ebendiese Schwankungen reagieren zu können.
Durch die Flexibilisierung der Nachfrageseite kann die Infrastruktur, d. h. das Stromnetz, effizienter genutzt werden. Zu Zeiten hoher Einspeisung aus erneuerbaren Energien können Unternehmen die Nachfrage erhöhen, um den günstigen Strom direkt nutzen zu können. Im Jahr 2019 wurden 6,48 TWh durch das sog. Einspeisemanagement abgeregelt.Bundesnetzagentur: Quartalsbericht Netz- und Systemsicherheit - Gesamtes Jahr 2019. 2020, bundesnetzagentur.de Das heißt, dieser erneuerbare Strom konnte aufgrund von Leistungsengpässen nicht genutzt werden. Mithilfe einer Flexibilisierung der Nachfrageseite kann dieser erneuerbare Strom vermehrt genutzt werden, was einerseits zur Dekarbonisierung des Stromsystems beiträgt und andererseits den Ausbau weiterer erneuerbarer Energien ermöglicht. Eine Flexibilisierung der Nachfrageseite kann auch dazu beitragen, den Bedarf für Netzausbau zu reduzieren, da Stromerzeugungsspitzen bzw. auch -täler ausgeglichen werden. Durch die Nutzung von Nachfrageflexibilität können schließlich Unternehmen auch ihre Stromkosten reduzieren.
Vorteile von Energieflexibilität für Flexibilitätsanbieter Aus Sicht eines Flexibilitätsanbieters benötigt es einen direkten oder indirekten, meist wirtschaftlichen, Anreiz zur Anpassung der Stromnachfrage in Form von Flexibilität.Peter Palensky, Dietmar Dietrich: Demand Side Management: Demand Response, Intelligent Energy Systems, and Smart Loads. In: IEEE Transactions on Industrial Informatics. Vol. 7, Nr. 3, 2011, S. 381–388, doi:10.1109/TII.2011.2158841 Flexibilitätsanbieter können dabei sowohl Privathaushalte wie auch Gewerbegebäude und Fabriken sein. Daraus leiten sich mögliche Zielsetzungen für die Umsetzung von Flexibilitätsmaßnahmen ab:VDI 5207 - Blatt 1: Energieflexible Fabrik: Grundlagen, 2020. Reaktion auf volatile Energiepreise: Energieflexibilität hat aus Flexibilitätsanbietersicht das übergeordnete Ziel, die Energiekosten zu senken – in ihrer einfachsten Form bedeutet dies die reaktive Anpassung des Verbrauchs an Preisschwankungen der Energy-only-Märkte. Proaktives Anbieten von Flexibilität: Fähigkeit eines Systems, Energieflexibilität, beispielsweise durch Verschiebung von Aufträgen einer Fabrik, proaktiv, direkt oder über einen Aggregator, in Märkten für Systemdienstleistungen anzubieten. Maximierung des Eigenverbrauchs: Energieflexibilität kann genutzt werden, um den Produktionsprofilen lokaler (innerhalb des Werksgeländes) oder nahe gelegener erneuerbarer Kraftwerke und Erzeugungsanlagen zu entsprechen. Damit können die Energiekosten einer Fabrik gesenkt werden. Reduktion des CO2-Fußabdrucks: Energieflexibilität kann dazu dienen, den CO2-Fußabdruck beispielsweise einer Fabrik zu reduzieren, indem der Stromverbrauch angepasst wird, um die Nutzung von erneuerbaren Ressourcen zu maximieren. Dies kann die Erzeugung erneuerbarer Energien vor Ort oder in der Nähe ebenso umfassen wie den Bezug von Strom in Zeitfenstern, in denen dieser besonders „grün“ ist, also einen hohen Anteil erneuerbarer Energien aufweist. Emissionsbezogene Kosten lassen sich dadurch senken. Lastspitzenglättung (Peak Shaving) und Lastausgleich des Strombedarfs: Energieflexibilität kann genutzt werden, um die Spitzen hochvariabler Lasten zu glätten. Insbesondere in der Industrie reduziert dies Investitionskosten durch Vermeidung überdimensionaler fabrikinterner Energiesystemkapazitäten sowie stark ansteigende Netznutzungsentgelte durch höhere Lastspitzen. Verbesserung der Qualität der elektrischen Leistung: Energieflexibilität kann auch genutzt werden, um den Gesamtleistungsfaktor einer technischen Anlage zu verbessern, indem beispielsweise der Betrieb ihrer Elektromotoren unter Volllast maximiert wird. Dies ermöglicht es, die Stromkosten in Tarifen, die an die Blindleistung gekoppelt sind, zu senken. Verbesserung der lokalen Energieinfrastruktur-Resilienz: Energieflexibilität kann genutzt werden, um eine lokale Energieinfrastruktur, beispielsweise innerhalb eines Gewerbegebäudes oder einer Fabrik, resilienter zu gestalten. Das bedeutet, dass die Energieinfrastruktur die Fähigkeit aufweist, sich schnell von Störungen zu erholen und die Versorgung von kritischen Lasten aufrechtzuerhalten. Resilienz reduziert damit potenzielle Kosten, die bei einem Ausfall der Energieinfrastruktur entstehen würden.
Energieflexibilitätspotenzial Im Allgemeinen beschreibt ein Energieflexibilitätspotenzial das Vermögen, den Lastbezug von zum Beispiel Produktionsanlagen, Produktionsprozessen etc. für einen bestimmten Zeithorizont abweichend von der regulären Fahrweise zu verändern. Eine energieflexible Fahrweise kann durch die zunehmend fluktierendere Stromerzeugung infolge des Ausbaus Erneuerbarer Energien notwendig werden, um einen netzdienlichen Betrieb von Verbrauchern zu etablieren. Die Bestimmung des Energieflexibilitätspotenzials ermöglicht es, eine quantifizierte Aussage zu treffen, welchen energieflexiblen Beitrag beispielsweise die deutsche Industrie leisten kann.
Definition und Abgrenzung der Potenzialbegriffe mini|614x614px|Abgrenzung der verschiedenen Potenzialbegriffe Um ein Energieflexibilitätspotenzial auszuweisen, bedarf es einer einheitlichen Definition und klaren Abgrenzung der Potenzialbegriffe. Nebenstehende Abbildung veranschaulicht die Teil- und Schnittmengen der sich ergebenden Potenzialbegriffe. In Abhängigkeit des gewählten Bilanzraumes kann sich demzufolge ein unterschiedliches Energieflexibilitätspotenzial ergeben.
Theoretisches Potenzial: Das theoretische Potenzial ist eine rechnerische Größe, die durch die Anschlussleistung aller Formen von Endenergie bestimmt wird. Das theoretische Potenzial ergibt sich durch die vollständige Lasterhöhung oder den vollständigen Lastverzicht der gesamten energetischen Anschlussleistung. In der Realität ist dies jedoch meist nicht möglich. Technisches Potenzial: Das technische Potenzial berücksichtigt zusätzlich sicherheits- und anlagenrelevante Restriktionen. Es stellt somit die Last dar, welche aus technischer Sicht zu- bzw. abgeschaltet werden kann. Das technische Potenzial entspricht der Summe aller technisch möglichen, energetischen Flexibilitätsmaßnahmen. Das technische Potenzial wird unter der Nebenbedingung erhoben, dass keine Lieferverpflichtungen verletzt werden und die Produktqualität sowie -menge insgesamt gleich bleiben. Wirtschaftliches Potenzial: Das wirtschaftliche Potenzial entspricht dem Anteil des technischen Potenzials, der wirtschaftlich genutzt werden kann. Dies ist der Fall, wenn die durch die Flexibilität generierten Erlöse die Kosten einer Flexibilitätsmaßnahme während des Betriebs inklusive der ggf. zuvor zu tätigenden Investitionen übersteigen.