a. Hintergrund der Maßnahme und Unternehmensparameter

Das betrachtete Unternehmen bezieht seine Endenergie in Form von Strom und Erdgas sowie Hilfsenergie wie Licht, Wärme und Druckluft. Im Rahmen einer Situationsanalyse wurde durch eine temporäre Erfassung von Energiedaten Optimierungspotenzial in den Bereichen Beleuchtung, Lastmanagement und dezentrale Energieerzeugung ermittelt. Das Potenzial zur Einsparung im Bereich der Beleuchtung, das durch eine Umstellung auf LED-Technologie erreicht werden sollte, wurde auf über 300.000 kWh pro Jahr geschätzt. Daraufhin entschied sich das Unternehmen, die Beleuchtung zu modernisieren; der Umbau erfolgte Mitte 2021.

Um die Maßnahme „Austausch der Beleuchtung“ vor und nach der Umrüstung messtechnisch zu dokumentieren, wurde zunächst ein Messkonzept entwickelt. Dabei wurde geprüft, welche Bereiche von der Umrüstung betroffen sind und entsprechend überwacht werden müssen. Es ergab sich, dass in allen Warenausgangsbereichen jeweils eine Messung installiert werden musste. Da der Kunde bereits ein Datenerfassungssystem betrieb, war eine zusätzliche Installation durch die IfE GmbH nicht notwendig. Stattdessen konnte auf die bestehenden Messeinrichtungen zurückgegriffen werden, wodurch zusätzliche Kosten vermieden wurden. Nach einer Begutachtung der Anlagen und Überprüfung der Technik wurde festgestellt, dass diese mit den Anforderungen der IfE-Systeme kompatibel sind. Die vorhandene Messtechnik ermöglichte zudem die Erfassung hochaufgelöster Messwerte in Echtzeit und in der erforderlichen Detailtiefe. Gemessen wird der Mittelwert der Wirkarbeit in 15-Minuten-Intervallen. Für die Aussagekraft der Messwerte war es entscheidend, dass während des Beobachtungszeitraums und in den betreffenden Bereichen keine weiteren technischen Änderungen geplant waren, die die Daten verfälschen könnten. Solche Maßnahmen waren nicht vorgesehen.

Um potenzielle Einflussfaktoren zu identifizieren, wurde die definierte Systemgrenze der Maßnahme genauer analysiert. Dabei wurden Kenngrößen betrachtet, die die Leistung oder den Energieverbrauch der Beleuchtungsanlagen beeinflussen könnten, wie die Tages- und Jahreszeit, die Umgebungshelligkeit sowie das menschliche Verhalten beim Ein- und Ausschalten der Beleuchtung. Die Analyse ergab, dass der Zusammenhang zwischen der Nutzung der Beleuchtungsanlagen und der Helligkeit zu bestimmten Tages- oder Jahreszeiten als unbedeutend einzustufen ist. Ein manueller Eingriff, beispielsweise das Ausschalten der Beleuchtung bei ausreichendem Tageslicht, wurde als unwahrscheinlich erachtet, da dies die Produktionsabläufe oder die Sicherheit der Mitarbeiter gefährden und gegen gesetzliche Vorschriften verstoßen könnte. Auch der Einfluss des menschlichen Schaltverhaltens konnte durch eine Befragung des Kunden widerlegt werden. Dabei wurde festgestellt, dass die Betriebszeiten der Produktionsstätte in Zukunft konstant bleiben und somit keine nennenswerte Abweichung zwischen den Ein- und Ausschaltzeiten der Beleuchtung zu erwarten ist. Dadurch konnte eine aufwendige Messung des menschlichen Verhaltens vermieden werden.

b. Berechnung der Einsparung

Zur Erstellung der Baseline wurden die Messwerte vom 01.01.2021 bis zum 23.11.2021 verwendet. Sie wurden zunächst auf Plausibilität und Kontinuität überprüft. In sechs der geprüften Wochen wurden Inkonsistenzen festgestellt, da Daten aufgrund von Messausfällen manuell ergänzt werden mussten. Diese Wochen wurden von der Analyse ausgeschlossen. Darüber hinaus wurden die Zeiten der Umbauarbeiten aus dem Betrachtungszeitraum entfernt, da die Beleuchtung während dieser Zeit nicht regulär genutzt wurde. Die verbleibenden Tage zeigten ein weitgehend homogenes Bild des durchschnittlichen Energieverbrauchs vor und nach der Umrüstung. Sowohl für den Zeitraum vor als auch nach der Umstellung wurde eine Musterwoche definiert, um einen direkten Vergleich der Beleuchtung unter nahezu identischen Betriebsbedingungen zu ermöglichen. Dabei wurden den Tagen der Musterwochen verschiedene Kriterien zugrunde gelegt:

Nachfolgende Grafik zeigt die beiden Musterwochen:

Abbildung: Musterwochen vor und nach der Umrüstung

Anschließend wurden sämtliche Messwerte als geordnete Zeitreihe dargestellt und die resultierenden Unterschiede visualisiert (siehe Geordnete Dauerlinie der Musterwochen). Die Differenzen zwischen beiden Kurven dienten als Basis für die Erstellung der Baseline.

Abbildung: Geordnete Dauerlinie der Musterwochen

Der direkte Vergleich der geordneten Dauerlinien verdeutlicht die Unterschiede der verschiedenen Betriebszustände in absoluten Zahlen. Um die Zusammenhänge zwischen den Daten zu analysieren, wurde die Regressionsanalyse als Methode angewendet. Dabei stellt die Baseline den Zusammenhang zwischen dem spezifisch gemessenen Leistungswert und der ermittelten Differenz her. In diesem Fall ist die Baseline eine Funktion vom X. Grad, die in der Abbildung als gepunktete Linie dargestellt wird. Diese Funktion ermöglicht es, einer gemessenen Leistung einen Differenzbetrag zuzuordnen. Der errechnete Wert wird anschließend zum gemessenen Leistungswert addiert und bildet so die Leistung des Zustands vor der Umrüstung ab. Mit dieser Methode kann der Lastgang vor der Umrüstung in Echtzeit basierend auf aktuellen Messungen simuliert werden. Die Differenz zwischen den beiden Lastgängen repräsentiert die eingesparte Energie, die durch die ermittelte Baseline kontinuierlich nachverfolgt werden kann.

c. Ergebnisse

Durch die Messdatenerfassung und die Analyse der Messwerte konnte eine Einsparung von ca. 250.000 kWh pro Jahr nachgewiesen werden. Der auf diesem Weg visualisierte Erfolg der Maßnahme sollte das Unternehmen motivieren, weitere Optimierungen umzusetzen. Darüber hinaus kann das Monitoring der gebildeten Kennzahlen helfen, Unregelmäßigkeiten zu erkennen und entsprechend zu reagieren. Zum Beispiel könnte eine negative Veränderung der Kennzahl auf eine suboptimale Lichtsteuerung hinweisen. Eine plötzliche Veränderung der Kennzahl könnte auch darauf hindeuten, dass Leuchtmittel ausgefallen sind oder die Steuerung defekt ist.

Hier finden Sie die projektspezifischen Messwerte:

Hier können Sie die Werte der oben exemplarisch dargestellten Messung als CSV-Datei herunterladen:

a. Hintergrund der Maßnahme und Unternehmensparameter

Für das Unternehmen, welches in der Kultur- und Unterhaltungsbranche im Raum Thüringen tätig ist, zeigten sich im Rahmen einer Analyse Einsparpotenziale in den Bereichen Beleuchtung und Steuerungstechnik. Infolgedessen verbaute das Unternehmen Mitte 2019 LED-Leuchtmittel. Hierzu soll exemplarisch die Wirksamkeit der Beleuchtungsoptimierung gezeigt werden. Gemessen wurde die Wirkarbeit der Phasen L1, L2 und L3 der Bühneneffektbeleuchtung.

Der Output der Beleuchtungsanlage hängt ausschließlich vom Bühnenbild ab, welches für jedes Theaterstück eigens erstellt wird. Somit ist die Einflussgröße ausschließlich das Steuersignal vom Pult zum Scheinwerfer. Der technische Aufwand um 28 Ausgänge mit schwachen Steuersignalen (4-20 mA bzw. 0-10 V) zu messen ist aufwendig und würde ein gesonderten Messaufbau mit zusätzlichem Messequipment notwendig machen. Die Kosten für Personalkapazitäten und Messtechnik stehen in keinem Verhältnis zu den Einsparungen. Stattdessen wurde ein Minimumwert festgelegt, der wieder gibt, wann mindestens eine Beleuchtungseinheit eingeschaltet ist. Anhand dieses Grenzwertes wurden die erhobenen Werte verglichen und ausgewertet.

b. Berechnung der Einsparung

Die Baseline bezieht sich auf die viertelstündlich gemessenen Leistungswerte der Bühneneffektbeleuchtung in der Zeit vom 05.04.2019 bis zum 20.06.2019. Anhand dessen wurde eine durchschnittliche Leistungsabnahme berechnet, die sich aus der Division der elektrischen Arbeit, als stündliche Summe der drei Phasen, und den Benutzungsstunden ergibt. Wie bereits eingangserwähnt, unterliegen die Benutzungsstunden dabei dem gewählten Grenzwert.

Nach dem Umbau der Effektbeleuchtung wurde nach derselben Berechnungsmethode erneut die durchschnittliche Leistungsabnahme ermittelt. Die berechnete mittlere Leistung nach dem Umbau wurde mit der durchschnittlichen Leistung der Baseline ins Verhältnis gesetzt. Zur Approximation der Baseline wurde diese um die zuvor berechnete prozentuale Abweichung erweitert.

Nachfolgende Grafik zeigt beide Messreihen im Zeitraum 21.09.2022 bis 20.09.2023:

Abbildung: Lastgangstrom vor und nach der Beleuchtungsumrüstung

Es zeigt sich eine deutliche Energieeinsparung nach Umrüstung der Leuchtmittel.

c. Ergebnisse

Durch die Erfassung und Analyse der Messdaten konnte eine jährliche Einsparung von etwa 43.000 kWh nachgewiesen werden. Zudem wurde eine Reduzierung der Lastspitzen um rund 40 % erreicht. Der visualisierte Erfolg der Ergebnisse sollte das Unternehmen ermutigen, weitere Optimierungsmaßnahmen in Angriff zu nehmen. Darüber hinaus ermöglicht die Überwachung der ermittelten Kennzahlen, Abweichungen frühzeitig zu identifizieren und gezielt darauf zu reagieren. So könnte eine Verschlechterung der Kennzahlen auf eine ineffiziente Lichtsteuerung hinweisen, während plötzliche Veränderungen auf ausgefallene Leuchtmittel oder defekte Steuerungssysteme hindeuten könnten.

Hier können Sie die Werte der oben exemplarisch dargestellten Messung als CSV-Datei herunterladen: