Elektrische Stromverteilungssysteme, oft als Stromnetze bezeichnet, sind seit dem späten 19. Jahrhundert die wichtigste Stromquelle der Welt. Als diese Stromnetze geschaffen wurden, waren ihre Funktionsprinzipien recht einfach: Sie erzeugten Strom und leiteten ihn an Haushalte, Gebäude und andere Orte, an denen Strombedarf bestand.
Doch mit der steigenden Nachfrage nach Strom steigt auch der Bedarf an effizienteren Stromnetzen. Die modernen „Smart Grid“-Verteilersysteme, die jetzt auf der ganzen Welt eingesetzt werden, basieren auf modernsten Technologien zur Optimierung der Effizienz. Dieser Artikel befasst sich mit der Definition eines intelligenten Stromnetzes und den Schlüsseltechnologien, die es intelligent machen.
Was ist Smart-Grid-Technologie?
Ein Smart Grid ist eine Stromverteilungsinfrastruktur, die eine bidirektionale Kommunikation zwischen dem Versorgungsunternehmen und den Kunden ermöglicht. Zu den digitalen Technologien, die zur Smart-Grid-Technologie beitragen, gehören Energie-/Stromsensoren, Steuerungen, Datenzentren und intelligente Zähler.
Einige intelligente Netze sind intelligenter als andere. In vielen Ländern gibt es große, gezielte Bemühungen, veraltete Stromverteilungsnetze in intelligente Netze umzuwandeln, aber diese Umstellung ist komplex und dauert mehrere Jahre, wenn nicht Jahrzehnte.
Beispiele für Smart-Grid-Technologie und Smart-Grid-Komponenten
Intelligente Zähler – Diese sind der erste Schritt zum Aufbau eines intelligenten Netzes. Intelligente Zähler liefern sowohl dem Verbraucher als auch dem Energieversorger Daten über den Energieverbrauch am Ort der Nutzung. Die Verbrauchs- und Kosteninformationen, die sie liefern, warnen die Verbraucher vor Energieverschwendung und helfen den Versorgern, die Lastverteilung im Netz zu optimieren.
Intelligente Zähler bestehen im Allgemeinen aus drei Hauptsystemen: dem Stromsystem, das den Stromverbrauch misst, einem Mikrocontroller zum Managen der Technologie innerhalb des intelligenten Zählers und dem Kommunikationssystem, das die Verbrauchs-/Anweisungsdaten überträgt und empfängt. Darüber hinaus können einige intelligente Zähler eine Notstromversorgung (für den Fall eines Stromausfalls in der Hauptverteilungsleitung) und GSM-Module enthalten, um den Standort des Zählers zu Sicherheitszwecken zu lokalisieren.
In den letzten zehn Jahren haben sich die weltweiten Investitionen in intelligente Zähler verdoppelt. Im Jahr 2014 betrugen die jährlichen Investitionen in intelligente Zähler weltweit 11 Mio. USD. In Anbetracht der Effizienzgewinne, die durch die Einführung intelligenter Zähler erzielt werden können, werden die weltweiten Investitionen darin laut Statista bis 2019 21 Mio. USD erreichen.
Intelligente Lastkontrollschalter und Verteilertafeln – Intelligente Zähler können den Energieversorgern zwar Echtzeitdaten liefern, aber sie steuern nicht automatisch die Energieverteilung. Um die Verteilung während der Verbrauchsspitzen oder in bestimmten Regionen zu optimieren, verwenden die Stromversorger Geräte für das Energiemanagement, wie z. B. intelligente Lastkontrollschalter und Verteilertafeln. Diese Technologie spart beträchtliche Mengen an Energie, indem sie die nicht benötigte Verteilung reduziert oder automatisch Lasten managt, die ihre zulässigen Nutzungszeiten überschritten haben. Einfach ausgedrückt, können die intelligenten Lastkontrollschalter die Stromverteilung am Ort des Verbrauchs auf intelligente Weise ein- und ausschalten, um die gesamte Systemverteilung und die Effizienz des Verbrauchs zu optimieren.
So nutzt zum Beispiel die Stadt Wadsworth, Ohio, ein Stromverteilungssystem aus dem Jahr 1916. In Zusammenarbeit mit Itron, einem Hersteller von intelligenten Lastkontrollschaltern (SLCS), konnte Wadsworth den Systemverbrauch um 5.300 Megawattstunden senken, indem SLCS in Wohnhäusern installiert wurden, um die Nutzung von Klimakompressoren während der Spitzenlast zu steuern.
Automatisierung von Stromnetzen – Die Automatisierung von Stromnetzen wird durch Smart-Grid-Technologien ermöglicht, die modernste IT-Infrastrukturen nutzen, um jeden Schritt der Stromverteilungskette zu steuern. Beispielsweise nutzt ein automatisiertes Stromversorgungssystem intelligente Datenerfassungssysteme (z. B. intelligente Stromzähler), Stromsteuerungssysteme (z. B. intelligente Laststeuerungsschalter), Analysewerkzeuge, Computersysteme und Stromversorgungsalgorithmen. Die Kombination dieser kritischen Komponenten ermöglicht es einem Netz (oder mehreren Netzen), sich selbständig anzupassen und zu optimieren, mit begrenzter menschlicher Interaktion.
Die Schaffung eines intelligenten Stromnetzes
Wenn digitale, bidirektionale Kommunikations- und Automatisierungstechnologien in einem intelligenten Stromnetz eingesetzt werden, können verschiedene infrastrukturelle Veränderungen die Effizienz des Netzes maximieren. Die folgenden Veränderungen der Infrastruktur werden durch die Einführung des intelligenten Netzes ermöglicht:
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1. Dezentrale Energieerzeugung
Da intelligente Netze die Energieverteilung kontinuierlich überwachen und steuern können, muss die Energie nicht mehr in einem einzigen großen Kraftwerk erzeugt werden. Vielmehr kann die Energie von vielen dezentralen Stromerzeugungsanlagen erzeugt werden, z. B. von Windturbinen, Solarparks, privaten Sonnenkollektoren, kleinen Wasserkraftwerken und vielem mehr.
2. Dezentrale Märkte
Intelligente Netzinfrastrukturen ermöglichen auch die Verbindung mehrerer Netze als Mittel zur intelligenten gemeinsamen Nutzung von Energie in herkömmlichen zentralisierten Systemen. So verfügen Gemeinden seit jeher über unabhängige Produktionsanlagen, die nicht mit benachbarten Gemeinden verbunden sind. Mit der Einführung einer intelligenten Netzinfrastruktur können die Gemeinden zu gemeinsamen Produktionsplänen beitragen, um Produktionsabhängigkeiten im Falle eines Ausfalls zu beseitigen.
3. Übertragung in kleinem Maßstab
Einer der größten Energieverschwender in Stromnetzen ist die Verteilung der Energie über große Entfernungen. Da die Dezentralisierung der Produktion und des Marktes durch das intelligente Netz ermöglicht wird, werden die Nettoentfernungen der Verteilung innerhalb eines intelligenten Netzes drastisch reduziert, wodurch auch die Verschwendung von Energie bei der Verteilung reduziert wird.
Stellen Sie sich zum Beispiel einen kleinen Solarpark in der Nachbarschaft vor, der 100 % des Tagesstrombedarfs der Nachbarschaft erzeugen kann und 1 km von der Nachbarschaft entfernt ist. Gäbe es den örtlichen Solarpark nicht, müsste die Nachbarschaft ihren Strom möglicherweise von einem 100 km entfernten Großkraftwerk beziehen. Der Energieverlust, der bei der Übertragung des Stroms aus dem weit entfernten Kraftwerk auftritt, kann hundertmal größer sein als der beobachtete Übertragungsverlust aus dem lokalen Solarpark.
4. Zwei-Wege-Verteilung
Im Beispiel des lokalen Solarparks kann es ein Szenario geben, in dem der Solarpark mehr Energie erzeugen kann, als in der Nachbarschaft verbraucht wird. Es entsteht ein Überschuss an Energie. Diese überschüssige Energie kann dann in das intelligente Netz eingespeist werden und dazu beitragen, den Bedarf für das weit entfernte Kraftwerk zu senken.
In diesem Szenario fließt tagsüber Energie aus dem Solarpark in das Hauptnetz, das nicht in der Nachbarschaft liegt, aber wenn der Solarpark nicht aktiv ist, fließt Energie aus dem Hauptnetz in die Nachbarschaft. Dieser bidirektionale Energiefluss kann durch Stromverteilungsalgorithmen überwacht und optimiert werden, um sicherzustellen, dass während der Nutzung an keiner Stelle Energie verschwendet wird.
5. Beteiligung der Verbraucher
In einer intelligenten Netzinfrastruktur mit bidirektionaler Verteilung und dezentralen Netzgrenzen können die Verbraucher als Mikrostromerzeuger fungieren. So können beispielsweise einzelne Häuser mit unabhängigen PV-Solarsystemen ausgestattet werden, die Energie direkt am Ort des Verbrauchs erzeugen können. Überschüssige Energie, die von der privaten PV-Anlage erzeugt wird, kann in das größere Netz eingespeist werden, wodurch die Nachfrage der größeren, zentralen Kraftwerke weiter reduziert wird.
Die Bedeutung von intelligenten Netzen
Intelligente Netze sind für die Senkung des Stromverbrauchs auf makroökonomischer Ebene unerlässlich. Viele lokale Energieversorger und Regierungen bieten großzügige Anreize für die Teilnahme an der Einführung eines intelligenten Stromnetzes, da dies sowohl finanziell als auch ökologisch von Vorteil ist. Durch die Einführung intelligenter Netze kann die Energieerzeugung demokratisiert werden, wodurch das Risiko von Stromausfällen beseitigt, die Betriebskosten von Stromsystemen gesenkt und unnötige Energieverschwendung vermieden werden kann.
