Eine wachsende Bevölkerung und neue Industrien lassen die Nachfrage nach elektrischer Energie Jahr für Jahr steigen. Um diese zunehmende Energienachfrage zu erfüllen, wird Strom auch aus fossilen Brennstoffen erzeugt, was wiederum den Großteil des derzeitigen Energiebedarfs ausmacht. Dies führt allmählich zur Erschöpfung fossiler Brennstoffe und zu einem Anstieg der Kohle- und Erdgaspreise. Der International Energy Association zufolge waren in Europa im ersten Halbjahr 2022 die durchschnittlichen Erdgaspreise viermal so hoch wie im Vergleichszeitraum 2021 und die Preise für Kohle mehr als dreimal so hoch. Fossile Brennstoffe tragen auch maßgeblich zu den Treibhausgasen bei und sind für die zunehmende globale Erwärmung verantwortlich.
Erneuerbare Energiequellen gelten daher als Alternative zu fossilen Brennstoffen und können bei der Lösung der erwähnten Probleme helfen. Energiequellen wie Sonne, Wind und Wasser sind reichlich vorhanden und werden von der Natur unbegrenzt zur Verfügung gestellt. Daher ist die Erschöpfung dieser Quellen kein Thema. Sie erzeugen keine schädlichen Nebenprodukte und liefern eine viel grünere und sauberere Energie. Viele Länder haben bereits mit dem Umstieg auf diese alternativen Energien begonnen und wollen in den nächsten zehn Jahren rund 40 Prozent oder sogar die Hälfte ihres gesamten Energiebedarfs aus diesen Ressourcen decken.
Trotz der genannten Vorteile nimmt der Anteil an erneuerbaren Energien nicht schnell genug zu, um die steigende Energienachfrage zu erfüllen. Gegenwärtig liegt das Ziel von Netto-Null-CO2-Emissionen noch in weiter Ferne. Zur Gewährleistung ihrer Energiesicherheit sind die Länder daher gezwungen, weiterhin auf Kohle und Erdgas zu setzen. Die meisten Probleme hinter diesem langsamen Wachstum können durch Mikronetze, die in diesem Artikel näher beschrieben werden, gelöst werden.
Die Rolle von Mikronetzen im Hinblick auf erneuerbare Energien
Erneuerbare Energiequellen kommen in verschiedenen Formen vor. Das ist auch der Hauptgrund für ihr langsames Wachstum. Sie alle unterscheiden sich in der Art, wie sie Strom liefern, was wiederum zu Unterbrechungen und Schwankungen führt. Daraus resultiert ein großes Missverhältnis zwischen Energieangebot und -nachfrage, dem durch Mini- oder Mikronetze Rechnung getragen werden kann. Aufgrund der intermittierenden Natur erneuerbarer Quellen sind Mikronetze aus Gründen der Zuverlässigkeit normalerweise an das Hauptnetz gekoppelt. Dadurch entsteht ein hybrides System. Bei netzfernen Systemen auf Inseln oder an abgelegenen Orten werden verschiedene erneuerbare Quellen genutzt, um eine zuverlässige Stromversorgung sicherzustellen. Beispielsweise steht Solarenergie nur tagsüber zur Verfügung. Daher wird eine wasser- oder windbasierte Quelle benötigt, die den Energiebedarf während der Nacht decken kann.
Mit mehreren erneuerbaren Energiequellen in einem einzigen System wird der Stromfluss von den Quellen zur Last effektiv gesteuert, aber auch zu einer Herausforderung, insbesondere bei Koppelung mit dem Hauptnetz. Aus diesem Grund wird durch verschiedene Energiemanagementstrategien sichergestellt, dass kein erzeugter Strom verloren geht. Optimal wäre die Kombination eines hybriden erneuerbaren Systems mit Backup-Systemen wie Batteriespeichern oder Dieselgeneratoren. In den Energiespeichersystemen kann auch überschüssige Energie gepuffert werden, die bei niedrigen Lastbedingungen anfällt.
(Bildnachweis: Wenbo Shi, University of California, Los Angeles)
Energiemanagementstrategien in Mikronetzen
Wie bereits erwähnt, lässt sich mit einer optimalen Energiemanagementstrategie die Zuverlässigkeit des Systems erhöhen. Diese Strategien basieren auf Sensorinformationen und fortschrittlicher Informationstechnologie, um eine optimale Ressourcenplanung zu unterstützen. Dabei sollen Stromausbeute und Lebensdauer maximiert und Betriebs- und Umweltkosten minimiert werden.
Strategie der zentralen Steuerung
Wie der Name schon sagt, besteht die zentrale Steuerung aus einer Master- bzw. zentralen Steuerung, die alle Informationen erfasst, z. B. die mit den einzelnen erneuerbaren Quellen erzeugte Energie, meteorologische Daten usw. Sie ist für das Management der leistungselektronischen Schnittstellen in jeder Energiequelleneinheit verantwortlich, indem sie optimale Regelparameter sendet. Dies trägt zum Ausgleich von Wirk- und Blindleistung im Dauerbetrieb bei. Für eine optimale Ressourcenplanung kann die zentrale Steuerung auch das Energieverbrauchsmuster jedes Nutzers analysieren.
Zwischen der zentralen Steuerung und allen lokalen Steuerungen innerhalb der verteilten Energiequellen muss eine Kommunikationsverbindung hergestellt werden. Aufgrund eines möglichen Single Point of Failure ist das ein großer Nachteil dieses Systems. Falls die Master-Steuerung offline geht, besteht zwischen den lokalen Steuerungen keine Kommunikation mehr und das gesamte System wird beeinträchtigt.
Strategie der dezentralen Steuerung
Im Gegensatz zur Strategie der zentralen Steuerung können die lokalen Steuerungen bei einer dezentralen Steuerung unabhängig Entscheidungen treffen. Jede lokale Steuerung schlägt ihre optimale Einstellung vor und sendet die Konfiguration an die Master-Steuerung, die die optimale Ressourcenplanung bestimmt und an die lokalen Steuerungen zurücksendet. Diese Abstimmung der Betriebsparameter wird fortgesetzt, bis globale und lokale Ziele erreicht sind.
Daher hat ein Ausfall der Master-Steuerung keine so gravierenden Auswirkungen auf die Leistung des gesamten Systems wie bei einem zentralisierten Ansatz. Dadurch erhöht sich die Zuverlässigkeit des Systems. Ein weiterer Vorteil dieser Strategie ist ein flexibleres System. Lokale Steuerungen können ohne Umweg über die zentrale Steuerung hinzugefügt oder entfernt werden. Einziger Nachteil ist die eingeschränkte Skalierbarkeit des Systems, da keine direkte Kommunikation zwischen den lokalen Steuerungen stattfindet.
Strategie der hierarchischen Steuerung
Die hierarchische Steuerung ist eine Kombination aus zentraler und dezentraler Steuerung. Die lokalen Steuerungen werden in Gruppen eingeteilt, wobei jede Gruppe über eine eigene zentrale Steuerung verfügt. Diese zentralen Steuerungen kommunizieren miteinander, um den allgemeinen Zustand des Mikronetzes zu erfahren. Der Vorteil ist eine sehr hohe Kommunikationsgeschwindigkeit zwischen lokalen Steuerungen, die für große Umgebungen viel besser skalierbar und robuster ist.
Diese Strategie arbeitet mit drei Steuerungsebenen – primär, sekundär und tertiär –, um die Zuverlässigkeit des Systems durch die Implementierung von drei Regelkreisen zu erhöhen. Der primäre Regelkreis ist für die Spannungsregelung zuständig und liefert die Plug-and-Play-Funktion für Energiequellen. Der sekundäre Regelkreis kompensiert die durch den primären Kreis verursachte Spannungsabweichung. Der eventuell vorhandene tertiäre Regelkreis ist bei Vorhandensein des Hauptnetzes für die wirtschaftliche Energieoptimierung sowie für die Stromflusssteuerung verantwortlich.
Effektives Management von erneuerbaren Energien in Mikronetzen
Um die ununterbrochene Versorgung von Lasten zu gewährleisten und die Kosten der Energieerzeugung zu senken, wird bei hybriden Systemen für erneuerbare Energien üblicherweise die Strategie des Energiemanagements mit Verfahren zur Energieoptimierung kombiniert. Je nach Art des Mikronetzes handelt es sich dabei entweder um eine zentrale oder eine dezentrale Strategie. Darüber hinaus können zukünftig Technologien auf Basis des Internets der Dinge (Internet of Things, IoT) eingesetzt werden, um das Problem der Datenverarbeitung in verteilten Energiesystemen zu lösen.
Für den Aufbau eines Mikronetzes liegt der Schlüssel zu einem effizienten System in der Integration von Halbleitern mit hoher Bandlücke (SiC) und mit breiter Bandlücke (GaN). Falls Sie beabsichtigen, einen Wechselrichter zu entwickeln, sind Simulationstools von Herstellern wie Semikron Semisel bei der Festlegung der Parameter für die Komponenten sehr hilfreich. Wenn Sie diese Parameter in die Arrow-Produktsuche eingeben, können Sie das ideale Produkt für die Anwendung auswählen, z. B. den IGBT SKM450GB12T4 von Semikron. Es handelt sich um einen Fast-Trench-IGBT der 4. Generation mit isolierter Kupfergrundplatte. Ähnliche Produkte anderer Hersteller wie Analog Devices, MXP Semiconductors und Infineon Technologies sind ebenfalls erhältlich.
