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Was sind dezentrale Energieressourcen (Distributed Energy Resources, DER)?
Veröffentlicht: 4. Juni 2024
Mitwirkende: Alice Gomstyn, Alexandra Jonker
Was sind dezentrale Energieressourcen (Distributed Energy Resources, DER)?
Dezentrale Energieressourcen (DER) sind kleine Energiesysteme, die einen nahe gelegenen Standort mit Strom versorgen. DER kann an das Stromnetz angeschlossen oder isoliert werden, wobei die Energie nur an bestimmte Standorte oder Funktionen fließt.
DER umfasst sowohl Energieerzeugungstechnologien als auch Energiespeichersysteme. Wenn die Energieerzeugung durch dezentrale Energieressourcen erfolgt, wird das als dezentrale Erzeugung bezeichnet.
Während DER-Systeme eine Vielzahl von Energiequellen nutzen, werden sie oft mit Technologien für erneuerbare Energien wie Solarmodulen auf Dächern und kleinen Windturbinen in Verbindung gebracht.
Die Verwendung von DER bietet mehrere Vorteile. Dezentrale Energiequellen, die Strom aus erneuerbaren Energiequellen erzeugen, produzieren oft keine Emissionen, während mit Erdgas betriebene DER weniger Emissionen verursachen als andere mit fossilen Brennstoffen betriebene Systeme. Dies ermöglicht die Dekarbonisierung.
DER erhöhen außerdem die Widerstandsfähigkeit des Stromsystems: DER kann die zentralen Kraftwerke in Zeiten steigender Stromnachfrage ergänzen und als Reservestromquelle dienen, wenn extreme Wetterereignisse die Infrastruktur der Versorgungsunternehmen beschädigen.
Welche gängigen DER-Technologien und -Systeme werden zur Energieerzeugung verwendet?
Zu den DER-Technologien gehören sowohl traditionelle, auf fossilen Brennstoffen basierende Systeme als auch neuere, sauberere Energietechnologien. Zu Ersteren gehören mit Öl und Diesel betriebene Verbrennungsmotoren, die hohe Treibhausgasemissionen erzeugen. Zu den saubereren Technologien mit geringeren oder gar keinen Emissionen gehören:
Photovoltaikanlagen – oder Solarmodule und Solarzellen – werden zunehmend als DER eingesetzt. Weltweit wurden zwischen 2019 und 2021 167 Gigawatt an dezentralen Photovoltaikanlagen installiert.1
DER-Windturbinen werden auch als dezentraler Wind bezeichnet. Dezentrale Windenergieanlagen unterscheiden sich in Größe und Stromerzeugungskapazität. Sie können von weniger als 1 Kilowatt für den Antrieb von Geräten bis zu 100 Kilowatt für den Betrieb eines Industriestandorts reichen.
Brennstoffzellen erzeugen Strom durch einen thermochemischen Prozess mit Brennstoffen wie Wasserstoff. Während der meiste Wasserstoff für Brennstoffzellen durch die Verbrennung von Erdgas hergestellt wird, kann er auch mit Hilfe von erneuerbaren Energien produziert werden – dies wird als „grüner Wasserstoff“ bezeichnet. Wasserstoff-Brennstoffzellen werden in einigen Elektrofahrzeugen verwendet und sind in einigen Kraftwerken zu finden.
Kraft-Wärme-Kopplung (KKW) ist die gleichzeitige Erzeugung von Strom und Wärme aus einer einzigen Energiequelle. KWK-Technologie kann mit fossilen Brennstoffen wie Erdgas oder mit Brennstoffen auf Basis erneuerbarer Energien wie Biomasse betrieben werden.
Mikroturbinen sind kleine Verbrennungsmotoren, die mit Biogas, Erdgas, Propangas und anderen Brennstoffen betrieben werden. Die meisten sind etwa so groß wie ein Kühlschrank und produzieren zwischen 15 und 300 Kilowatt Strom. Trotz dieser relativ geringen Leistung können sie zusammengenommen ganze Einrichtungen wie z. B. Abwasseraufbereitungsanlagen mit Strom versorgen.2
Welche Energiespeichertechnologien werden als dezentrale Energieressourcen verwendet?
Unter Energiespeicherung versteht man das Auffangen und Vorhalten von Energie für die spätere Nutzung. Beispiele für Energiespeichertechnologien, die als dezentrale Energieressourcen eingesetzt werden, sind:
Batteriespeicher sind die häufigste Form der Stromspeicherung. Während Versorgungsunternehmen oft über eigene große Batterie-Speicherkraftwerke (Battery Energy Storage Systems, BESS) verfügen, können kleinere, „hinter dem Zähler“ liegende BESS auf den Grundstücken der Energieverbraucher stationiert werden. BESS-Installationen in Wohngebieten werden bis 2030 voraussichtlich eine Kapazität von 20 Gigawattstunden erreichen.3
Elektrofahrzeuge (Electric Vehicles, EV) können als dezentrale Energieressourcen fungieren, wenn sie an Ladestationen angeschlossen werden. Mithilfe der Vehicle-to-Grid-Technologie (V2G) kann ungenutzte Energie, die in der Batterie des Elektrofahrzeugs gespeichert ist, in ein Stromnetz eingespeist werden. V2G-Energieprojekte haben sich kürzlich in mehreren Ländern entwickelt, darunter Deutschland, das Vereinigte Königreich und die USA.
Elektrische Warmwasserbereiter für Privathaushalte können als Wärmebatterien fungieren und Energie in Form von Wärme speichern. Die ungenutzte Wärme kann als Energie an Stromnetze „abgeleitet“ werden. Einige Netzbetreiber nutzen bereits elektrische Warmwasserbereiter zu Speicherzwecken, während politische Entscheidungsträger und Forscher von Australien bis New York eine breitere Einführung elektrischer Warmwasserbereiter als dezentrale Energieressource fördern.
Wie funktionieren DER-Systeme in Verbindung mit Stromnetzen?
DER mögen zwar nur bestimmte Standorte versorgen, aber sie können auch über einen Prozess, der als Zusammenschaltung (Interconnection) bekannt ist, mit lokalen Energienetzen verbunden werden. Die Zusammenschaltung erfolgt sowohl auf administrativem als auch auf technischem Wege: DER-Eigentümer müssen bei den Versorgungsunternehmen Anträge auf Zusammenschaltung einreichen und sicherstellen, dass sie über die richtige Unterstützungstechnologie verfügen. Zu dieser Technologie gehören Geräte, die als Wechselrichter bezeichnet werden.
Wechselrichter wandeln Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) um. Viele DER-Einheiten, wie z. B. Solar- und Windkraftanlagen, erzeugen Gleichstrom, während der größte Teil der Energieübertragung und -verteilung über Wechselstrom erfolgt. Wechselrichter wandeln den von DER erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom um, der über Stromnetze übertragen werden kann.
Einige DER speisen Strom in größere Netze ein, nachdem sie zuerst an Inselnetze (Microgrids), also kleine Netze, die lokale Gebiete mit Strom versorgen, angeschlossen wurden. Eine oder mehrere DER-Technologien formen in der Regel ein Inselnetz. Inselnetze funktionieren nicht nur in Verbindung mit herkömmlichen Großstromnetzen, sondern können auch im „Inselmodus“ betrieben werden, was bedeutet, dass sie autonom arbeiten.
DER können auch zu Energienetzwerken zusammengefasst werden, die als virtuelle Kraftwerke (Virtual Power Plants, VPPs) bezeichnet werden. Energieversorger und Netzbetreiber können VPPs nutzen, um den Strombedarf zu decken, wenn ihre eigenen Vorräte nicht ausreichen.
DER-Systeme bieten eine Reihe von Vorteilen für die Menschen und den Planeten.
Durch die Stromversorgung nahegelegener Verbrauchsstellen tragen DER dazu bei, den Energieverlust zu reduzieren, der typischerweise auftritt, wenn Strom durch Übertragungsleitungen fließt. Darüber hinaus ermöglicht DER ein effizienteres Energiemanagement durch Demand-Response-Programme: Versorgungsunternehmen bieten Energiekunden Anreize, ihren Energieverbrauch zu ändern, und ermöglichen es Versorgungsunternehmen, auf die DER-Systeme der Kunden zuzugreifen, um den Strombedarf zu decken.
Verbraucher mit DER-Anlagen können entweder billigeren Strom für den Eigenverbrauch produzieren oder erhalten Gutschriften für die Einspeisung von Energie in ihr lokales Stromnetz - eine Praxis, die als Nettomessung (Net Metering) bekannt ist. Auch für Energieversorger ist DER kosteneffizient: Durch die Integration von DER in ihre Systeme können sie Kosten für den Aufbau neuer Energieinfrastrukturen vermeiden.
Viele dezentrale Energieressourcen werden mit erneuerbarer Energie oder Wasserstoff betrieben, was zu geringeren Emissionen führt als die Stromerzeugung auf Öl- und Kohlebasis.
Der Klimawandel hat die Häufigkeit extremer Wetterereignisse und Naturkatastrophen erhöht, die die Energieinfrastruktur beschädigen und Stromausfälle und Störungen verursachen können. Dezentrale Energieressourcen erhöhen die Widerstandsfähigkeit des Stromversorgungssystems, indem sie Backup-Optionen für die Energieerzeugung bieten, wenn zentralisierte Kraftwerke betroffen sind.
Trotz der Vorteile dezentraler Energieressourcen stehen sowohl Verbraucher als auch Netzbetreiber bei der Einführung von DER vor Herausforderungen.
Obwohl DER-Systeme die Energiekosten langfristig senken können, können sich die Installationskosten für dezentrale Energieressourcen wie Brennstoffzellen und Photovoltaikanlagen auf Tausende von Dollar belaufen – ein unerschwinglich hoher Preis für manche Verbraucher. Staatliche Anreize wie Steuergutschriften und Subventionen können dazu beitragen, die Vorlaufkosten zu decken.
Die im 20. Jahrhundert gebauten Stromnetze und -verteilungssysteme waren nicht für einen bidirektionalen Fluss ausgelegt – das heißt für den Fluss von Elektrizität von zentral gelegenen Kraftwerken zu den Verbrauchern und den Stromfluss von den im Besitz der Verbraucher befindlichen DER in ein Netz. Daher können die Netze durch den Strom aus DER überlastet werden, was zu Netzengpässen führt und Gebiete dem Risiko von Stromausfällen aussetzt. Eine verstärkte Koordination zwischen den Stakeholdern des Energiesystems – einschließlich Regulierungsbehörden, Netzbetreibern und Verbrauchern – und die Anwendung von Smart-Grid-Technologien könnte helfen, diese Herausforderungen zu bewältigen.
Weiterführende Lösungen
Prognostizieren Sie den Energiebedarf mit genauen Vorhersagen und planen Sie das Vegetationswachstum in der Nähe von Stromleitungen.
Vereinfachen Sie die Erfassung, Konsolidierung, Verwaltung, Analyse und Berichterstattung Ihrer ESG-Daten („Environmental, Social and Governance“; dt. „Umwelt, Soziales und Governance“).
Entwickeln Sie eine ESG-Datenstrategie, um Nachhaltigkeitsziele zu operationalisieren und die Transparenz zu erhöhen.
Ressourcen
Die Möglichkeit, Energie zu speichern, kann die Umweltauswirkungen der Energieerzeugung und des Energieverbrauchs verringern und den Ausbau sauberer, erneuerbarer Energie erleichtern.
Inselnetze sind kleine Stromnetze, die unabhängig voneinander betrieben werden, um Strom für einen begrenzten Bereich zu erzeugen, z. B. für einen Universitätscampus, einen Krankenhauskomplex oder eine Militärbasis.
Die Smart-Grid-Technologie verspricht, das traditionelle elektrische System mit einer Infusion digitaler Intelligenz zu modernisieren.
Smart Meter sind digitale Geräte, die den Strom-, Gas- oder Wasserverbrauch in Echtzeit messen und aufzeichnen und die Informationen an das Versorgungsunternehmen weiterleiten.
Die erweiterte Zählerinfrastruktur (Advanced Metering Infrastructure) ist ein integriertes Festnetzsystem, das eine wechselseitige Übertragung zwischen Versorgungsunternehmen und Kunden ermöglicht.
Energiemanagement ist die proaktive Überwachung, Steuerung und Optimierung des Energieverbrauchs eines Unternehmens, um den Verbrauch einzuschränken und die Energiekosten zu senken.
Fußnoten
1 „Unlocking the Potential of Distributed Energy Resources“ (Link befindet sich außerhalb von ibm.com), IEA, 2022.
2 „Renewable Energy Fact Sheet: Microturbines“ (Link befindet sich außerhalb von ibm.com). US-Umweltschutzbehörde, August 2013.
3 „Enabling renewable energy with battery energy storage systems“ (Link befindet sich außerhalb von ibm.com), McKinsey & Company, 2. August 2023.
