Energie & Umwelt

Netzmodernisierung für erneuerbare Energien

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Die Tyseley-Müllverbrennungsanlage in Birmingham [Bildquelle:Elliott Brown, Flickr]

In vielen Ländern der Welt, einschließlich mehrerer westlicher Bundesstaaten, ist das Stromnetz veraltet. Die Technologie reicht bis in die Zeit von Thomas Edison zurück. Dies bedeutet, dass der globale Elektrizitätssektor neue Wege zur Stromversorgung finden muss, insbesondere um die Emission schädlicher Treibhausgase zu vermeiden, die den Klimawandel verursachen oder schädliche Luftverschmutzung oder andere schädliche Umweltauswirkungen verursachen. Weitere Überlegungen betreffen eine verbesserte Effizienz, Kostensenkung und Marktwachstum. Nationen auf der ganzen Welt bevorzugen zunehmend erneuerbare Energien gegenüber fossilen Brennstoffen und Atomkraftwerken.

Viele erneuerbare Technologien, mit Ausnahme von Biogas, das aus Biomasse, anaerober Vergärung und Geothermie erzeugt wird, sind jedoch zeitweise und hängen von den Wetterbedingungen ab. Aus diesem Grund müssen Technologien für erneuerbare Energien mit Unterstützung von Energiespeichersystemen, Strategien zur Nachfragereduzierung und Energieeffizienzsystemen wie Smart Grids in ein Gesamtpaket für erneuerbare Energien mit mehreren Technologien integriert werden.

Insbesondere Versorgungsunternehmen beginnen mit der Modernisierung des Netzes durch die Entwicklung intelligenter Netze, die Informations- und Kommunikationstechnologien verwenden, um das Netz überschaubarer und effizienter zu gestalten. Der Erfolg einer solchen Strategie erfordert jedoch, dass die Systeme und Geräte aufgrund ihrer Komplexität sowie der Anzahl und des Umfangs der beteiligten Geräte miteinander interoperabel sind.

Die Schaffung eines intelligenten Stromnetzes beinhaltet im Wesentlichen die „Computerisierung“ des bestehenden Stromnetzes. Dies kann erreicht werden, indem eine bidirektionale digitale Kommunikationstechnologie installiert wird, die mit den verschiedenen intelligenten Energiegeräten kommuniziert, die das Netz verwalten. Jedes dieser Geräte kann mit Sensoren ausgestattet werden, um Informationen zu sammeln. Diese Sensoren umfassen Leistungsmesser, Spannungssensoren, Fehlerdetektoren usw. Es wird auch eine bidirektionale digitale Kommunikation zwischen den Geräten selbst und einem Netzwerkbetriebszentrum geben, die es dem Dienstprogramm ermöglicht, jedes Gerät oder sogar Millionen von Geräten von einem zentralen Verwaltungsstandort aus zu steuern.

Der Einsatz der Datenkommunikationstechnologie schafft einen Markt, in dem Unternehmen nach neuen Anwendungen und Software suchen. Dies bringt wichtige Vorteile wie Cybersicherheit und eine verbesserte Fähigkeit zur Integration erneuerbarer Energietechnologien in das Netz mit sich, einschließlich kohlenstoffarmer Transporte wie Elektrofahrzeuge.

Die USA haben sich nach der Verabschiedung des Energy Independence and Security Act (EISA) von 2007 intensiv mit der Netzmodernisierung befasst. Dies bietet gesetzgeberische Unterstützung für das Smart Grid-Programm des US-Energieministeriums (DOE) und schafft einen Smart Grid Advisory Committee und Federal Smart Grid Task Force als wichtiger Teil des Prozesses. EISA richtete auch eine regionale Demonstrationsinitiative für intelligente Stromnetze ein und beauftragte das Nationale Institut für Standards und Technologie (NIST) mit DOE und anderen, ein Rahmenwerk für die Interoperabilität intelligenter Stromnetze zu entwickeln. Die Finanzierung erfolgt über einen DOE Federal Matching Fund für Smart Grid-Investitionskosten.

Das Amt für Stromlieferung und Energiezuverlässigkeit (OE) übernimmt mit Unterstützung wichtiger Akteure aus Industrie, Wissenschaft und Landesregierungen eine Führungsverantwortung für den Umbau des US-amerikanischen Stromnetzes. Dies beinhaltet erhebliche Forschungs- und Entwicklungsprioritäten, um auf die verschiedenen Herausforderungen zu reagieren und die Umwandlung des Elektrizitätssystems in ein intelligentes Netz zu beschleunigen. Dies beinhaltet auch neue Geschäftsmodelle und Regulierungsrichtlinien.

[Bildquelle:Ian Muttoo, Flickr]

Herausforderungen

Eines der Hauptprobleme des bestehenden Netzes in den USA und wahrscheinlich auch in anderen westlichen Ländern besteht darin, dass chronische Unterinvestitionen insbesondere in die Übertragung und Verteilung getätigt wurden. Es gibt Hunderttausende von Hochspannungsübertragungsleitungen in den USA, aber seit 2000 wurden nur 668 zusätzliche Meilen Übertragung installiert. Dies bedeutet, dass sich die Systembeschränkungen weiter verschlechtern, wenn die Probleme nicht behoben werden. Gegenwärtig kosten Ausfälle und Probleme mit der Stromqualität amerikanische Unternehmen mehr als 100 Milliarden US-Dollar pro Jahr, und in den letzten 40 Jahren gab es mindestens fünf massive Stromausfälle. Wenn das Netz jedoch noch um 5 Prozent effizienter gemacht würde, würde dies eine Energieeinsparung bedeuten, die den Kraftstoff- und Treibhausgasemissionen von 53 Millionen Autos entspricht.

Das Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass wir in einer schnelllebigen digitalisierten Gesellschaft leben. Die Notwendigkeit eines Übergangs zu einer modernen erneuerbaren Wirtschaft zur Bekämpfung des Klimawandels stellt zusätzliche Anforderungen. Derzeit produzieren die USA 25 Prozent der weltweiten Treibhausgase, obwohl sie nur 4 Prozent der Weltbevölkerung ausmachen. Die Hälfte der Energie des Landes wird immer noch von Kohlekraftwerken erzeugt. Inzwischen sind Nationen wie Deutschland weltweit führend bei der Entwicklung erneuerbarer Energietechnologien wie Sonne und Wind, während Japan schnell auf die Entwicklung fortschrittlicher Energiespeichertechnologien übergeht und die Europäische Union (EU) eine „Smart-Grid-Agenda“ verabschiedet hat. in denen Gebäude als Minikraftwerke fungieren.

Nach einem Bericht der Bundesnetzagentur vom Januar 2015 stehen die europäischen Netze vor allem vor drei großen Herausforderungen: ungleichmäßige Stromerzeugung, großflächige Anschlüsse und verstärkter Stromhandel.

Eine ungleichmäßige Stromerzeugung wird durch die intermittierende Natur der Technologie für erneuerbare Energien verursacht, die Schwankungen verursachen kann, die die Stabilität des Netzes beeinträchtigen. Dies betrifft sowohl die großen Fernübertragungsleitungen als auch regionalere Verteilungsnetze.

Mit zunehmender Dezentralisierung der Energieerzeugung (dezentrale Erzeugung), hauptsächlich durch erneuerbare Energiesysteme wie Solar-PV auf dem Dach und Windparks, wird eine große Anzahl von Stromerzeugungsanlagen an das Stromnetz angeschlossen.

Der Stromhandel ist für Deutschland aufgrund seiner zentralen Lage ein besonderes Problem und verleiht ihm damit den Status eines Transitlandes zwischen den westeuropäischen und osteuropäischen Strommärkten. Dies bedeutet, dass es zunehmend mehr grenzüberschreitende Stromtransaktionen abwickeln muss als andere Länder in der EU.

Anforderungen an ein Smart Grid

Wie das US-Energieministerium (DOE) in seinem 2010 erschienenen Buch The Smart Grid: An Introduction erklärt, werden die neuen nationalen Netze intelligent, effizient, entgegenkommend, motivierend, opportunistisch, qualitätsorientiert, belastbar und umweltfreundlich sein. Was bedeutet das alles genau?

Durch intelligentbedeutet das DOE, dass das System in der Lage ist, Überlastungen zu erfassen und die Leistung umzuleiten, um Ausfälle zu vermeiden. Es wird auch in der Lage sein, schneller und autonom zu arbeiten, als dies durch menschliche Handarbeit und kooperative Zusammenarbeit zwischen Versorgungsunternehmen, Verbrauchern und Regulierungsbehörden möglich ist.

Es wird sein effizient in dem Sinne, dass es in der Lage sein wird, die gestiegene Nachfrage zu befriedigen, ohne dass zusätzliche Infrastruktur installiert werden muss.

Das Smart Grid wird in der Lage sein unterbringen Energie aus jeder Brennstoffquelle, insbesondere im Hinblick auf Technologien für erneuerbare Energien wie Sonne und Wind. Es wird in der Lage sein, dies schnell und effizient zu tun, und es wird in der Lage sein, Technologien der neuen Generation in das System zu integrieren, während sie entwickelt werden, unterstützt durch neue Energiespeichertechnologien.

Das System hilft dabei motivieren Verbraucher zu einer effizienteren Verwaltung ihrer Stromversorgung durch eine bessere Kommunikation zwischen den Haushalten und den Energieversorgern. Dies bedeutet, dass sie ihren Energieverbrauch je nach ihren genauen Anforderungen je nach Preis und / oder Umweltbelangen genau anpassen können.

Das Smart Grid wird neue erstellen Chancen und Märkte, wodurch Arbeitsplätze geschaffen und ein wesentlicher Beitrag zur nationalen und globalen Wirtschaft geleistet werden.

Es wird sein qualitätsorientiert , dass es in der Lage ist, Strom zu liefern, ohne dass das Risiko von Stromausfällen, Spannungsspitzen oder anderen Störungen besteht. Es wird in der Lage sein, unsere digitalisierte Gesellschaft mit all ihrer Vielzahl von Geräten zu unterstützen, von Computern über Spielekonsolen bis hin zu intelligenten Geräten und anderer fortschrittlicher Elektronik.

Die neuen Stromnetze werden sein belastbar, in der Lage, Angriffe von Naturkatastrophen oder Cyberkriminellen durch den Einsatz von Smart-Grid-Sicherheitstechnologie abzuwehren.

Schließlich wird das System sein Grün - dem globalen Klimawandel entgegenwirken und unser Leben weitaus nachhaltiger gestalten als derzeit.

Das DOE kategorisiert die Komponenten des neuen Smart Grids nach fünf spezifischen Technologien. Dies sind: integrierte Kommunikation, Erfassung und Messung, fortschrittliche Komponenten, erweiterte Steuerungen und verbesserte Schnittstellen.

Die Visualisierungstechnologie wird bereits von Versorgungsunternehmen für die Lastüberwachung in Echtzeit und die Planung des Lastwachstums verwendet. Diese Technologie ist jedoch in der Regel nicht in der Lage, Informationen aus einer Vielzahl unterschiedlicher Quellen zu integrieren oder Informationen für verschiedene Benutzer anzuzeigen. Die Advanced Metering Infrastructure (AMI) zielt darauf ab, Verbraucher in ein intelligentes Stromnetz zu integrieren, indem ihnen die Möglichkeit gegeben wird, ihre Stromversorgung effizienter zu verwalten. Außerdem können Versorgungsunternehmen Probleme schneller erkennen und ihre Systeme effizienter betreiben. Preissignale werden an Smart Appliances, Smart Home Controller und Thermostate weitergeleitet. Diese Geräte verarbeiten dann die Informationen basierend auf den Verbraucheranforderungen. Dies wird im Hintergrund mit einem minimalen Bedarf an menschlichem Eingreifen geschehen, was wiederum zu erheblichen Kosteneinsparungen führen wird. Phasor Management Units (PMU) messen Spannung und Strom an bestimmten Orten, nehmen alle 2 bis 4 Sekunden Messungen vor und ermöglichen so die Situationserkennung des Systems und die Vermeidung von Stromausfällen.

Alles in die Praxis umsetzen

Zahlreiche US-Bundesstaaten haben inzwischen einen Renewable Portfolio Standard (RPS) verabschiedet, der Ziele für die Integration erneuerbarer Energien festlegt. Das jüngste Pariser Übereinkommen über Maßnahmen zur Bekämpfung des Klimawandels wird dazu führen, dass noch mehr Länder der Welt ihre erneuerbaren Energien hochfahren werden Infrastruktur im Einklang mit einem neuen globalen Markt für erneuerbare Energien.

In Großbritannien haben die jüngsten Kürzungen bei den Subventionen für Technologien für erneuerbare Energien die Fähigkeit und / oder Bereitschaft der konservativen Regierung, in ein neues intelligentes Stromnetz zu investieren oder auf dieses umzusteigen, das die Technologie für erneuerbare Energien vollständig integrieren kann, in Frage gestellt. Im Mai 2015 musste die Solar Trade Association (STA), die Handelsorganisation für den britischen Solarbereich, die Regierung auffordern, mehr in die Netzmodernisierung zu investieren, um erneuerbare Energien zu integrieren. Gegenwärtig leidet Großbritannien unter einer alternden Infrastruktur, die die Fähigkeit des Landes einschränken wird, seine verschiedenen Ziele für Klimawandel und erneuerbare Energien zu erreichen. Vor sechs Jahren musste Western Power Distribution, der District Network Operator (DNO) für die Midlands, den Südwesten Englands und Wales, das Netz für neue Projekte im Bereich erneuerbare Energien schließen, insbesondere für Projekte, die in Cornwall, Devon, Somerset und Dorset entwickelt wurden. Inzwischen haben Teile von Ost- und Südostengland laut UK Power Networks kaum Kapazitätsreserven.

Das Vereinigte Königreich ist als Mitglied der EU verpflichtet, bis 2020 mindestens 15 Prozent seiner Energie aus erneuerbaren Energiequellen zu gewinnen, aber es gibt zunehmend Bedenken hinsichtlich seiner Fähigkeit, dies zu tun. Das Amt für nationale Statistiken (ONS) erklärte im Februar 2015, dass Großbritannien seinen erneuerbaren Strom auf 30 Prozent mehr als verdoppeln muss, um seine Gesamtziele für 2020 zu erreichen.

„Das Stromnetz ist jetzt stellenweise sklerotisch und es gibt sogar bescheidene Solardächer, die keine Netzanschlüsse erhalten können“, sagte Leonie Green, die ehemalige Leiterin für auswärtige Angelegenheiten bei der STA. „Wir versuchen, die DNOs dazu zu bringen, ein aktiveres Geschäftsmodell zu entwickeln, aber die Menge an Solarenergie, die für 2023 prognostiziert wird, ist geringer als heute. Es fehlen grundlegende Informationen, da wir nicht beurteilen können, wie viel tatsächliche Kapazität noch vorhanden ist und was zur Erreichung der Ziele für 2020 erforderlich ist. Der neue Staatssekretär hat keine Zeit zu verlieren, um das Stromnetz in Gang zu bringen, wenn wir ein kohlenstoffarmes Stromsystem wollen. “

Laut Energy UK wird die Modernisierung des britischen Netzes und die Anpassung an Smart-Grid-Standards etwa 30 Mrd. GBP kosten.

[Bildquelle:Wikimedia Commons]

Fazit

Kritiker der erneuerbaren Energien werden Ihnen sagen, dass die Unterbrechung der Technologien für erneuerbare Energien uns alle in naher Zukunft allmählich in eine Reihe massiver, drohender Energiekatastrophen führt, aber dies ist kaum mehr als Propaganda. Wenn das Netz effektiv modernisiert wird, was es sein muss, können solche Probleme effektiv angegangen werden. Kurz gesagt, um einer Zukunft der erneuerbaren Energien gerecht zu werden, muss das gesamte Energienetz vollständig umgestaltet werden. Die gute Nachricht ist, dass genau dies jetzt geschieht.

"Die Veränderungen, die sich wie Elektrofahrzeuge wie erneuerbare Energien ergeben, können von den bestehenden Netzen wirklich nicht berücksichtigt werden", sagte der unabhängige Energieberater John Scott im Juni 2015 gegenüber The Guardian. Herr Scott ist auch Mitglied der SmartGridGB-Forum, in dem die Entwicklung von Smart Grids in Großbritannien diskutiert und gefördert wird. "Anstatt das Netz immer größer zu machen, können Sie mit intelligenten Technologien viel mehr aus dem herausholen, was Sie bereits haben."

Laut Dr. Luis Nando Ochoa, Dozent für intelligente Vertriebsnetze an der Universität von Manchester, muss Großbritannien entweder Millionen Pfund zahlen, um sein derzeitiges Netz zu stärken, oder es muss intelligente Technologie einführen. Mit der letzteren Option können Dinge mit derselben Infrastruktur, die sich viel intelligenter verhält, effektiver gesteuert werden.

Die Dinge ändern sich zwar schnell, aber da müssen sie es wieder. Wir haben zu lange gewartet und Änderungen sind längst überfällig.


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