Die Zukunft bringt eine starke Zunahme vernetzter Geräte. Dabei wird kaum ein Bereich ausgeklammert, indem das Internet der Dinge keine Bedeutung erhält. Die Rechenleistung der in den Geräten verwendeten Prozessoren wird laufend höher und ermöglicht zunehmend, auch komplexere Berechnungen im Gerät vorzunehmen. So wird es künftig auch denkbar sein, Algorithmen des maschinellen Lernens, speziell des Deep Learnings, in die Geräte zu integrieren.
Herausforderungen in einem anderen Bereich stellt die Energiestrategie 2050 der Schweiz dar. Die wesentlichen Punkte sind ein geringerer Energieverbrauch, mehr erneuerbare Energiequellen und der Ausstieg aus der Atomkraft. Die Umsetzung der Energiestrategie hat unter anderem zur Folge, dass insbesondere elektrische Energie volatiler zur Verfügung steht, als wir das heute gewohnt sind. Lösungen bestehen in einem smarten Energiemanagement, so dass der Verbrauch von elektrischer Energie besser auf das Angebot abgestimmt ist.
Ein Ansatz smarten Energiemanagements besteht darin, dass von einzelnen Geräten der detaillierte Energieverbrauch bekannt ist und auf Basis dieser Information Feedback- und Energiemanagementsysteme realisiert werden. Der Energieverbrauch einzelner Geräte kann mit Sub-Metering oder mit Lastaufschlüsselungsalgorithmen bestimmt werden. Wir verfolgen einen weiteren Ansatz: Energy Aware Geräte. Solche Geräte kennen ihren eigenen Energieverbrauch und können diesen nach aussen kommunizieren.
Wir erweitern den Begriff der Energy Awareness: Neben dem aktuellen Energieverbrauch können die Geräte auch eine Vorhersage ihres Energieverbrauchs für die nächsten Stunden bereitstellen und von aussen Steuerkommandos empfangen. Dies erachten wir als notwendige Erweiterung, um die Vorteile von Energy Aware Geräten nutzen zu können. Mit diesem erweiterten Begriff analysieren wir verschiedene Szenarien im Wohnbereich und schätzen den Nutzen von Energy Aware Geräten ab. Insbesondere gehen wir auf die Szenarien «Energy Saving», «m-Grid» und «Balancing Power» ein.
Beim Szenario «Energy Saving» geht es darum, dass die Bewohner detailliert und schnell über ihren Energieverbrauch informiert werden. Dies mit dem Ziel, die Bewohner zu sparsamen Verhalten zu motivieren. Im Szenario «m-Grid» betrachten wir das Energiemanagement in einem Verbund von Energiequellen (z.B. Solaranlagen) und Verbrauchern in einem begrenzten Areal. Ein solches Areal umfasst typischerweise neben hier im Fokus stehenden Wohnungen auch Gewerbe und Industrie. Und im Szenario «Balancing Power» betrachten wir die Möglichkeit, dass auch Haushalte mit ihren Verbrauchern Regelenergie zur Verfügung stellen können, wenn eine genügend grosse Zahl von Haushalten in einem Pool zusammengefasst wird.
Es zeigt sich, dass die Vorhersage des Energieverbrauchs eine wichtige Information für Energiemanagementsysteme ist, welche darauf basierend eine präzisere Planung und Optimierung vornehmen können. Das betrifft die beiden Szenarien «m-Grid» und «Balancing Power». Diese beiden Szenarien sind zudem darauf angewiesen, dass die Geräte auch Steuerkommandos empfangen können. Der aktuelle Verbrauch ist in allen drei Szenarien erforderlich.
Um den ökonomischen Nutzen von Energy Awareness abzuschätzen, vergleichen wir die Möglichkeiten von energy aware Geräten mit anderen Technologien, welche zur Bestimmung des Energieverbrauchs von einzelnen Geräten geeignet sind. Insbesondere ist das die Lastaufschlüsselung aus einer Gesamtstrommessung. Generell gilt, dass der Nutzen der Energy Awareness nicht isoliert betrachtet werden soll. Zur Abschätzung des Nutzens muss der Einsatz von Energy Aware Geräten im Kontext des jeweiligen Szenarios betrachtet werden. Bei den von uns betrachteten Szenarien sehen wir einen hohen Nutzen der Energy Awareness für «m-Grid» und «Balancing Power». Die Informationen, welche energy aware Geräte bereitstellen, sind für die jeweiligen Dienste wichtig, um eine möglichst hohe Optimierung des Energiemanagements zu erreichen. Den Nutzen für «Energy Saving» stufen wir als gering ein. Dadurch dass die einzelnen Geräte ihren Energieverbrauch selber bereitstellen, wird die Motivation zum Energiesparen kaum beeinflusst.
Damit Energy Awareness sich durchsetzen kann, werden nicht nur energy aware Geräte benötigt. Die Geräte müssen vernetzt sein, damit ein Dienstleister diese Geräte auch für ein bestimmtes Szenario verwenden kann. Damit möglichst viele energy aware Geräte für einen Dienst zusammengeschlossen werden können, müssen die Hersteller der Geräte sich an definierte Protokolle halten können. Nur so kann eine herstellerübergreifende Kompatibilität gewährleistet werden.
Es sind weiter Arbeiten nötig, um solche Protokolle zu spezifizieren und standardisieren und um Optimierungsalgorithmen für die jeweiligen Szenarien zu erstellen. Herausforderungen bestehen in der potentiell hohen Anzahl von Geräten, welche über ein grosses Gebiet verteilt sein können. Ausserdem müssen die Bedürfnisse der Kunden berücksichtigt werden. Für Anbieter von auf energy aware Geräten basierenden Diensten besteht die Herausforderung darin, erfolgreiche Geschäftsmodelle zu entwickeln. Oft besteht dabei das Problem, den Kunden einen genügend hohen Anreiz zu bieten, damit sie zur Teilnahme an dem jeweiligen Dienst bereit sind.
Um das Potential von energy aware Geräten auszuschöpfen und aufzuzeigen, empfehlen wir, die im vorigen Abschnitt genannten Massnahmen zu initiieren und weitergehende Simulationen und Pilottests durchzuführen.
