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Intelligentes Stromnetz
3.1 Einführung
In der Stadt der Zukunft ist das intelligente Stromnetz (Smart Grid) eine Form der digitalen Technologie, die eine Zwei-Wege-Kommunikation zwischen KundInnen und Versorgungsunternehmen über die Energieübertragungsleitungen ermöglicht [24]. Ähnlich wie das Internet besteht das intelligente Stromnetz aus miteinander verbundenen Geräten, automatisierten Technologien und Computern, die im Stromnetz interagieren, um sich an den Energiebedarf anzupassen und darauf zu reagieren [24].
Die Steigerung der Energieeffizienz und die Beschleunigung der Erzeugung erneuerbarer Energien gehören zu den obersten Prioritäten von Menschen und Organisationen in aller Welt [25]-[28]. Um dieses Ziel zu erreichen, spielt die Einführung von Smart-Grid-Systemen eine wichtige Rolle, da sie nicht notwendigerweise den Ersatz des bestehenden Netzes beinhalten, sondern Hard- und Softwareelemente kombinieren, um die Funktionsweise des derzeitigen Systems erheblich zu verbessern und gleichzeitig die Möglichkeit einer weiteren Aufrüstung zu bieten [29]-[32].
Intelligente Stromnetze können Strom mit Hilfe digitaler Technologie bereitstellen und auch erneuerbare Energien integrieren, so dass die Verbraucher die Möglichkeit haben, ihren Verbrauch in Spitzenzeiten zu senken, indem sie die aus dem Netz entnommene Menge an ihren persönlichen Bedarf anpassen [25], [29]. Daher kann die intelligente Stromnetztechnologie die Industrie revolutionieren, indem sie den Stromverbrauch um bis zu 30 % senkt, wodurch auch die Notwendigkeit des Baus neuer Kraftwerke verringert wird [33].
Da fossile Brennstoffe die Umwelt belasten, indem sie nicht nur die Luft, sondern auch den Boden, das Wasser, die Vegetation und die Gebäude verschmutzen, werden erneuerbare Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie heutzutage immer häufiger genutzt, da sie im Vergleich zu den herkömmlichen Energiequellen umweltfreundlich sind [34]. Da erneuerbare Energiequellen jedoch unstetig sind, sind intelligente Stromnetze aufgrund ihrer Flexibilität, Kompatibilität mit der bestehenden Infrastruktur sowie ihrer Sicherheit und hohen Effizienz unerlässlich [33].
Die Einführung von Smart-Grid-Systemen spielt eine wichtige Rolle, da sie nicht notwendigerweise den Ersatz des bestehenden Netzes bedeuten, sondern durch die Kombination von Hardware- und Softwareelementen die Funktionsweise des derzeitigen Systems erheblich verbessern und gleichzeitig die Möglichkeit eines weiteren Ausbaus bieten [29]-[32].
Legende:
Smart Grid- A vision for the future- a network of integrated microgrids that can monitor and heat itself.= Intelligentes Stromnetz – eine Vision für die Zukunft – ein Netz integrierter Mikronetze, das sich selbst überwachen und beheizen kann
Smart appliances- can shut off in response to frequency fluctuations = Intelligente Geräte – können sich als Reaktion auf Frequenzschwankungen abschalten
Processors = Execute special protection schemes in microseconds = Prozessoren= Führen spezielle Schutzprogramme in Mikrosekunden aus
Storage = Energy generated at off- peak times could be stroed in batteries for later use = Speicherung= Energie, die außerhalb der Spitzenzeiten erzeugt wird, könnte in Batterien für eine spätere Nutzung gespeichert werden
Generators = Energy from small generators and solar panels can reduce overall demand on the grid= Generatoren= Energie aus kleinen Generatoren und Solarzellen kann die Gesamtnachfrage im Netz reduzieren
Demand management- use can be shifted to off- peak times to save money = Nachfragesteuerung – der Verbrauch kann auf Zeiten außerhalb der Spitzenlast verlagert werden, um Geld zu sparen
Sensor s- detect fluctuations and disturbances and can signal for areas to be isolated = Sensoren – erkennen Schwankungen und Störungen und können signalisieren, dass Bereiche isoliert werden müssen
Wind farm = Windpark
Offices = Büroräume
Industrial plant = Industrieanlagen
Central power plant = Zentrales Kraftwerk
Isolated microgrid = Isoliertes Mikronetz
Disturbance in the grid = Störung im Netz
3.2 Internet of Things – Das Internet der Dinge
Das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) ist ein neues Paradigma, das sich auf Milliarden von physischen Objekten bezieht, die mit dem Internet verbunden sind und weltweit Daten sammelt und austauscht [35]. Das Ziel des Internets der Dinge ist es, Alltagsgegenstände mit Mikrocontrollern und Sendern auszustatten, die es ihnen ermöglichen, miteinander und mit BenutzerInnen zu kommunizieren [36], [37].
In der Stadt der Zukunft kann das Internet der Dinge die Verwaltung herkömmlicher öffentlicher Dienstleistungen wie Verkehr und Parken, die Pflege öffentlicher Räume, die Abwasserentsorgung und die Sicherheit optimieren [37]. Außerdem kann das Internet der Dinge genutzt werden, um neue Dienstleistungen einzurichten, die Transparenz der Verwaltung zu verbessern und die Bürger für den Zustand ihrer Stadt zu sensibilisieren [38].
Das Internet der Dinge kann in drei wichtigen Bereichen Vorteile bringen [39]:
- Verkehr,
- EinwohnerInnen,
- Diens
Bei der Gestaltung der Architektur für das Internet der Dinge in der Stadt der Zukunft gibt es zwei Hauptansätze [40]:
- Evolutionärer Ansatz,
- Clean-Slate-Ansatz.
Der evolutionäre Ansatz bezieht sich darauf, Änderungen am aktuellen Netzwerk vorzunehmen und so viele Elemente wie möglich aus den bestehenden Systemen wiederzuverwenden. Der Clean-Slate-Ansatz hingegen bezieht sich auf die Schaffung und vollständige Neukonfiguration des Netzes ohne Rücksicht auf die bestehende Struktur. [39]
Quelle: http://comtech2.com/internet-of-things/
Legende:
Anytime any context = Jederzeit jeder Kontext
Anything any device = Alles, jedes Gerät
Anyone anybody = Jeder Jede
Any Service any business = Jede Dienstleistung jedes Unternehmen
Any Path any network = Jeder Weg jedes Netz
Any place anywhere = Jeder Ort überall
3.3 Übergang zum intelligenten Stromnetz
Die Stadt der Zukunft stützt sich auf mehrere Säulen, die beim Übergang zu einem nachhaltigen städtischen Lebensstil eine entscheidende Rolle spielen, nämlich Governance, Verkehr, Wirtschaft und Energie [41].
Der Aufbau einer intelligenten Stadt der Zukunft ist ein natürliches Ergebnis, das sich aus dem intelligenten Stromnetz ergibt. Das System der Energieinfrastruktur ist eine der wichtigsten Komponenten, die einer Stadt helfen, nachhaltig zu sein und eine sauberere Umwelt für ihre BewohnerInnen zu schaffen [41]-[43].
Quelle: https://en.wikipedia.org/wiki/Smart_grid
Legende:
Staying big or getting smaller/ expected structural changes in the energy system made possible by the increased use of digital tools = Groß bleiben oder kleiner werden/ zu erwartende strukturelle Veränderungen im Energiesystem, die durch den verstärkten Einsatz digitaler Werkzeuge ermöglicht werden
Yesterday = Gestern
Few larger power plants = Wenige größere Kraftwerke
Centralized, mostly national = Zentralisiert, meist national
Based on large power lines and pipelines = Basierend auf großen Stromleitungen und Pipelines
Top to bottom = Von oben nach unten
Passive, only paying = Passiv, nur zahlend
Production = Produktion
Market = Markt
Transmission = Übertragung
Distribution = Verteilung
Consumer = VerbraucherInnen
Tomorrow = Morgen
Many small power producers = Viele kleine Stromerzeuger
Decentralized, ignoring boundaries = Dezentralisiert, ohne Rücksicht auf Grenzen
Including small scale transmission and regional supply compensation = Einschließlich kleiner Übertragungen und regionalem Versorgungsausgleich
Both directions = Beide Richtungen
Active, participating in the system = Aktiv, Teilnahme am System
3.4 Mikronetze
Microgrids sind eine Form von dezentralen und autarken Energiesystemen, die ein relativ kleines Gebiet versorgen, wie z. B. Wohnviertel, Krankenhauskomplexe und Campusgelände [44], [45]. Microgrids werden durch eine oder mehrere Arten von dezentraler Energie, wie Wind- und Solargeneratoren in Kombination mit Energiespeichern, betrieben [45].
Herkömmliche Netze transportieren Strom von einem zentralen Punkt über große Entfernungen durch Übertragungs- und Verteilungsleitungen, was zu einem Energieverlust zwischen 8 und 15 % führen kann [45]. Microgrids hingegen vermeiden diese Energieverschwendung, indem sie den Strom in der Nähe der VerbraucherInnen erzeugen. Außerdem können Microgrids sich vom Hauptnetz abkoppeln und unabhängig arbeiten. Dadurch sind sie in der Lage, ihre VerbraucherInnen im Falle eines durch Naturkatastrophen verursachten Stromausfalls weiterhin mit Strom zu versorgen [45]. Außerdem verfügen Microgrids über fortschrittliche Systemsteuerungen, die alle Einzelteile wie Generatoren und Batterien überwachen und verwalten [45], [46].
Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Mikronetzes ist die Flexibilität. Dies bezieht sich auf die Tatsache, dass es – dank der fortschrittlichen Systemsteuerungen – die Hinzufügung neuer Elemente wie zusätzliche Verbraucher-, Erzeugungs- oder Speichereinheiten bewältigen kann, ohne dass die Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigt wird [31], [43], [47].
Quelle: https://microgrid-symposiums.org/wp-content/uploads/2019/07/Americas1-X_Dobriansky_20190727.pdf
3.5 Energieoptimierung
Energieoptimierung bezieht sich darauf, wie die Energie genutzt wird, um die Vorteile für Mensch und Umwelt zu optimieren.
Beim Aufbau des Elektrizitätssystems, wurde die Zuverlässigkeit durch überschüssige Systemkapazitäten und einen Energiefluss in eine Richtung vom Kraftwerk zu den VerbraucherInnen gewährleistet [48]. Heutzutage hat der Anstieg der Bevölkerung und des Energiebedarfs jedoch zu einem instabilen und ineffizienten System geführt [49].
Aus diesem Grund ist in der Stadt der Zukunft eine effektive Echtzeitverwaltung und -überwachung des Netzes erforderlich. Dies kann durch die folgenden Mechanismen und Technologien erreicht werden [48]:
- Intelligente Verbrauchsmessung
- Intelligente Geräte
- Nachfrageseitige Reaktion
- Dynamische Preisgestaltung in Echtzeit
- Effizientes Management von Energiequellen (konventionelle und erneuerbare)
- Effizientes Management von Überschussstrom
Intelligente Stromnetze können effizient genutzt werden, indem die von den einzelnen Haushalten genutzten Geräte koordiniert und die Spitzenlasten verwaltet werden [50]. Ein Weg dazu ist die Implementierung von Sensornetzwerken, die in der Lage sind, jederzeit miteinander zu kommunizieren, zusammen mit einem IKT-Energiemanagementalgorithmus, der viele Arten von Energienetzwerken wie das webbasierte Smart Grid (oder Smart Grid 2.0) steuern und überwachen kann [51]. Die Verwendung miteinander verbundener Sensornetzwerke führt zum Konzept des Internet der Energie, bei dem das Netz als Datenkommunikationsnetz betrachtet wird, das aus Heimnetzwerken, Nachbarschaftsnetzwerken und Weitverkehrsnetzwerken besteht [52].
Quelle: https://www.kamstrup.com/en-en/electricity-solutions
Legende:
Managed services and support = Verwaltete Dienstleistungen und Support
Smart Meters = Intelligente Zähler
Substation monitoring = Überwachung von Umspannwerken
Wireless communication = Drahtlose Kommunikation
Analytics and data management = Analyse und Datenmanagement
Integrations = Integrationen
Deployment services = Dienstleistungen für den Einsatz
3.6 Dezentrale Energieressourcen
Dezentrale Energieressourcen sind direkt mit Nieder- und Mittelspannungsstromerzeugungsnetzen verbunden und umfassen Stromerzeugungseinheiten sowie Energiespeichertechnologien [53]. Sie sind eine kostengünstige Alternative zu großen Kraftwerken und Hochspannungsleitungen, da sie Energieunabhängigkeit, hohe Energieeffizienz und erhöhte Systemzuverlässigkeit bieten [54].
Dezentrale Energiesysteme bieten Flexibilität, Nähe und Vernetzungskapazität, um die Herausforderung einer nachhaltigen Entwicklung zu meistern. Die Skalierbarkeit und die Fähigkeit, verschiedene Energieumwandlungstechnologien und Brennstoffe zu nutzen, sind ebenfalls mit der Flexibilität dezentraler Energiesysteme verbunden [55].
Die vier wichtigsten Vorteile dezentraler Energieressourcen sind die folgenden [53]:
- Höhere Energieeffizienz
- Verringerung der Treibhausgasemissionen
- Minimierung von Gesundheitsrisiken
- Schonung der Ressourcen
Quelle: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1364032109002561
Legende:
Distributed Energy Resources = Dezentrale Energiequellen
Distribution Generation Technologies = Technologien zur Verteilung von Energieerzeugung
Energy Storage Technologies = Energiespeichertechnologien
Conventional Generators = Konventionelle Stromerzeuger
Non- Conventional Generators = Nicht-konventionelle Stromerzeuger
Reciprocating Engine = Hubkolbenmotor
Gas Turbine = Gasturbine
Electrochecmial Devices = Elektrochemische Geräte
Fuel Cells = Brennstoffzellen
Renewable Devices = Erneuerbare Energiequellen
Land Based = Landgestützt
Small- Hydro- Turbines = Klein-Wasser-Turbinen
Geothermal = Geothermie
Solar Thermal = Solarthermie