INTELLIGENTES STROMNETZ

Die neue Energierevolution

Bereits seit den frühen 2000ern wird für die Smart-Grid-Technologie geworben, doch wann ist tatsächlich mit einem effizienten Energiemanagement zu rechnen?

Seit drei Jahrzehnten arbeiten Industrie und Politik gemeinsam daran, den Verbrauchern ein Stromnetz mit höherer Effizienz, verbesserter Sicherheit und weniger Ausfällen bereitzustellen. Zur Umsetzung dieser Vision ist es erforderlich, die Interoperabilität vieler verschiedener Systeme und Geräte sicherzustellen.

STROMNETZ

Digitalisierung und intelligente Steuerungen ermöglichen eine Reduzierung der Gebäudeemissionen bis 2050 um 350 Mio. Tonnen CO₂.

Quelle: IEA

Vorteile und Hindernisse

Die Modernisierung unserer Energieinfrastruktur ist keine Kleinigkeit. Die erforderlichen Innovationen, um die Smart-Grid-Technologie voranzubringen, sind mit enormen Herausforderungen verbunden. Bei der Entwicklung innovativer Lösungen müssen Ingenieure folgende Aspekte beachten.

VORTEILE

Netz von Kreisen, durch die ein Pfad verläuft

Flexible Anpassung

Eine höhere Netzeffizienz senkt die Kosten für Versorgungsunternehmen und Verbraucher und beschleunigt die Einführung von anpassbaren Energietechnologien, die auf die unterschiedlichen Bedürfnisse der Verbraucher zugeschnitten sind.

ein stilisiertes Schutzschild mit einem Häkchen in einem Kreis

Zuverlässigkeit & Ausfallsicherheit

Die Echtzeit-Überwachung des Stromflusses ermöglicht die Automatisierung von Smart Grids, erfordert aber eine robuste und präzise konstruierte Technik.

ein stilisiertes Blatt mit Stiel und Adern in einem Kreis, der von strahlenförmigen Linien umgeben ist

Nutzung erneuerbarer Energien

Smart Grids vereinfachen den dynamischen Ausgleich von Angebot und Nachfrage nach erneuerbaren Energien. Smart Grids sorgen damit für die effiziente Energieübertragung in Gebiete mit hohem Bedarf und minimieren zugleich die Speicherverluste.

HINDERNISSE

Ein Kasten in einem Stapel von Kästen, hervorgehoben durch blaue Linien und heraustretende Lichtstrahlen.

Integration von Technologien

Bei der Entwicklung von Smart-Grid-Produkten müssen verschiedene Technologien, Protokolle und Standards in interoperable Lösungen integriert werden, was umfangreiche Tests und Investitionen erfordert.

stilisierte Darstellung eines normalen Gebäudes, eines Gerichtsgebäudes oder eines Regierungsgebäudes

Rechtsgrundlagen & Einführung

Neue energiepolitische Maßnahmen und strengere Zuverlässigkeitsstandards erhöhen die Entwicklungs- und Implementierungskosten und können den Markteintritt verzögern.

ein stilisiertes Auge auf einem Schutzschild, das Sicherheit und Wachsamkeit symbolisiert

Cybersicherheit

Zum Schutz der Integrität von Smart Grids müssen Sicherheitsmaßnahmen wie Verschlüsselung, Authentifizierung und Echtzeit-Bedrohungserkennung implementiert werden.

AUFSCHWUNG AM MARKT

Befördert durch die weltweit steigende Nachfrage nach erschwinglichem Strom, durch ein größeres Bewusstsein der CO₂-Bilanz und den Aufstieg erneuerbarer Energien wird erwartet, dass die Investitionen in intelligente Stromnetze im Jahr 2029 rund 185 Mrd. US-Dollar erreichen werden.

Nordamerika

Europa

Asien-Pazifik

Südamerika

Naher Osten & Afrika

60,3 Mrd.

2023

71,7 Mrd.

2024

185,0 Mrd.

2029

Quelle: Markets & Markets

NETZTECHNIK

Langlebigkeit und Flexibilität der eingesetzten Technik sind entscheidend, um eine einwandfreie Kommunikation im gesamten Netz und einen effizienten Stromfluss sicherzustellen.

Die Netztechnik wächst beträchtlich, da die Geräte Daten sowohl von Verbrauchern als auch von Versorgungsunternehmen erfassen. Die technischen Innovationen schreiten in den folgenden Bereichen weiter voran:

Ein an einer hellgrünen Wand montierter Strommesser

Smart Meter

Batterien und andere Speichertechnologien speichern überschüssige Energie, die in Zeiten geringer Nachfrage erzeugt wird, um sie in Zeiten hoher Nachfrage bereitzustellen und so die Netzstabilität und -effizienz zu verbessern.

Zwei Arbeitskräfte eines Versorgungsunternehmens arbeiten an einer Stromleitung. Die Arbeitskraft links sitzt in einem Kübelwagen, während die Arbeitskraft rechts auf den Strommast klettert. Beide tragen gelbe Schutzhelme und Sicherheitswesten.

Hochentwickelte Sensoren

Leistung und Zustand von Stromleitungen, Transformatoren und anderer wichtiger Technik der Stromnetzinfrastruktur müssen überwacht werden, um Fehler zu erkennen, die Wartung zu optimieren und Ausfälle zu verhindern.

Eine Arbeitskraft in einem gelben Overall und einem weißen Schutzhelm inspiziert einen großen Schaltschrank.

Zeitsynchronisierte Zeigermessgeräte

Zeitsynchronisierte Zeigermessgeräte (Phasor Measurement Unit, PMUs) messen den Fluss elektrischer Wellen, um Echtzeitdaten über den Zustand des Stromnetzes zu liefern, die Stabilität zu messen und die Fähigkeit des Netzes zu verbessern, zusätzliche Energiequellen einzubinden oder zu entfernen.

Luftaufnahme einer großen BESS-Anlage (batteriegestütztes Energiespeichersystem), die aus zahlreichen rechteckigen und in Reihen und Spalten angeordneten Batteriecontainern besteht.

Energiespeichersysteme

NACHHALTIGE STROMVERSORGUNGSSYSTEME

Energie für die Zukunft

Auch wenn die Smart-Grid-Technologie noch nicht ihr volles Integrationspotenzial entfalten konnte, gibt es branchenübergreifend mehrere fokussierte Einsatzbereiche, in denen Smart Grids ihre Leistungsfähigkeit beweisen: Fahrzeuge, Heimnetzwerke und Mikronetze.

Eine Illustration zeigt ein Netz aus Solarmodulen und Ladestationen für Elektrofahrzeuge. Vier Reihen von Solarmodulen sind in einem Raster angeordnet, wobei jedes Modul saubere Energie erzeugt.

Ladegeräte mit moderner Elektronik ermöglichen eine nahtlose AC/DC-Umwandlung für einen bidirektionalen Energiefluss und verwenden hocheffiziente Umrichter und Konverter mit minimaler harmonischer Verzerrung – unter Verwendung von Siliziumkarbid (SiC)- oder Galliumnitrid (GaN)-Halbleitern für eine überragende Leistung und bei Einhaltung der Normen IEEE 1547 und UL 1741.

V2G-Netzwerke (Fahrzeug-zu-Netz) nutzen diesen bidirektionalen Stromfluss, um größere Stromnetze zu unterstützen. Sie nehmen Strom zu optimalen Zeiten ab, wodurch die Belastung des Netzes während der Nachfragespitzen verringert wird, und geben den Strom wieder ab, wenn er nicht benötigt wird, was die Stabilität und Effizienz des Netzes erhöht. Dank dieser Systeme können Elektrofahrzeuge als mobile Energiespeicher fungieren und zu einer ausgewogeneren und widerstandsfähigeren Energieinfrastruktur beitragen.

Ein Bild zeigt eine Nachbarschaft von drei Häusern, wobei jedes Dach mit Solarmodulen und die Garagen mit Ladestationen für Elektroautos ausgestattet sind.

Mit einem V2H-Netzwerk (Fahrzeug-zu-Haus) kann ein Elektrofahrzeug Strom über ein bidirektionales Ladegerät und ein Heim-Energiemanagementsystem (HEMS) in ein Hausnetz einspeisen. Das bidirektionale Ladegerät wandelt den Gleichstrom aus der Batterie des Elektrofahrzeugs in Wechselstrom um, der bei Netzausfällen oder zu Spitzenlastzeiten von einem Energiemanagement-Controller gesteuert wird. Zu den Kernkomponenten zählen intelligente Zähler (Smart Meter), Umrichter und Lastmanagementsysteme, die im Schaltkasten des Hauses installiert sind und für die nahtlose Integration in das Stromnetz sorgen.

Herausforderungen wie die Effizienz der Leistungsumwandlung und das Entladen der Batterien werden mit hocheffizienten Umrichtern und optimalen Ladealgorithmen angegangen. Die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und die Kompatibilität mit Smart Grids sorgen für Sicherheit und Zuverlässigkeit und tragen zu Vorteilen wie Notstromversorgung, Kosteneinsparungen durch Spitzenlastreduzierung und Netzstabilität bei.

Eine Abbildung zeigt ein Smart-Grid-System mit Schwerpunkt auf erneuerbaren Energiequellen. Auf der linken Seite steht eine Windkraftanlage, die das Vertrauen in erneuerbare Energien unterstreicht. Die Netzinfrastruktur wird durch Linien dargestellt, die Haus, Speichertanks und Windkraftanlage verbinden, was die Vernetzung des Systems betont.

Ein Mikronetz, auch als Microgrid bezeichnet, ist ein abgegrenztes Inselnetz, das unabhängig oder in Verbindung mit dem Hauptnetz betrieben werden kann und über lokale Einrichtungen zur Energieerzeugung, Energiespeicherung und Energieverteilung verfügt. Es umfasst in der Regel erneuerbare Energiequellen wie Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen sowie Batterien oder andere Speichertechnologien. Microgrids werden von hochentwickelten Steuerungssystemen verwaltet, die die Energienutzung optimieren, Angebot und Nachfrage ausgleichen und für Zuverlässigkeit sorgen.

Sie bieten Schutz vor Netzausfällen, verringern die Abhängigkeit von zentralen Energiequellen und unterstützen die Integration von Lösungen für erneuerbare Energien innerhalb von Gemeinden oder Einrichtungen. So könnte beispielsweise ein Universitätscampus ein Mikronetz nutzen, um Solarmodule und Batteriespeicher zu integrieren und damit den Betrieb bei Netzstörungen aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die CO₂-Bilanz zu verbessern.