Was ist ein Microgrid?
Mikronetze sind kleine Stromnetze, die unabhängig voneinander betrieben werden, um Strom für einen begrenzten Bereich zu erzeugen, z. B. für einen Universitätscampus, einen Krankenhauskomplex, eine Militärbasis oder eine geografische Region.
Das US-Energieministerium definiert ein Mikronetz als eine Gruppe miteinander verbundener Lasten und dezentraler Energieressourcen innerhalb klar definierter elektrischer Grenzen, die in Bezug auf das Stromnetz als eine einzige steuerbare Einheit agiert.1 Mikronetze können mit traditionelleren, groß angelegten Stromnetzen, den so genannten Makronetzen, zusammenarbeiten, die von großen Kraftwerken getragen werden.
Aber weil Mikronetze in sich geschlossen sind, können sie im „Inselmodus“ betrieben werden, was bedeutet, dass sie autonom funktionieren und selbst Strom liefern. Sie bestehen in der Regel aus mehreren Arten von verteilten Energieressourcen (DERs), wie Sonnenkollektoren, Windturbinen, Brennstoffzellen und Energiespeichersystemen. Ihre Stromerzeugungsressourcen können auch traditionellere Quellen wie Dieselgeneratoren und erdgasbetriebene Kraft-Wärme-Kopplungssysteme (KWK) umfassen.
Bleiben Sie über die neuesten Tech-News auf dem Laufenden.
Erhalten Sie im Newsletter Think wöchentlich Erkenntnisse, Forschungsergebnisse und Expertenmeinungen zu KI, Sicherheit, Cloud und mehr.
Wenn es um die Stromerzeugung geht, bieten Mikronetze potenzielle Lösungen für verschiedene Herausforderungen, die mit einem traditionellen Stromnetz verbunden sind. Mikronetze können:
- Die Ausfallsicherheit verbessern: Mikronetze können die Belastung des primären Stromnetzes verringern und bei Ausfällen durch extreme Wetterbedingungen oder andere Störungen Notstrom liefern, um eine zuverlässige Stromversorgung für kritische Lasten zu gewährleisten. Diese Fähigkeit ist besonders wertvoll in abgelegenen Gebieten mit eingeschränktem Zugang zum Hauptnetz oder in Regionen, die anfällig für Stromausfälle oder Naturkatastrophen sind.
- Die Effizienz steigern: Durch die Verwaltung lokaler Energieressourcen und Lasten können Mikronetze Angebot und Nachfrage effizient ausbalancieren, Übertragungsverluste reduzieren und eine Reaktion auf die Nachfrage ermöglichen, d. h. sie erlauben eine Anpassung des Energieverbrauchs als Reaktion auf Preissignale. Dies kann zu niedrigeren Energiekosten führen; so führte beispielsweise die Umstellung des Pittsburgh International Airport auf ein Solar- und Erdgasnetz bereits im ersten Jahr zu Einsparungen von 1 Mio. USD.2 Und eine kalifornische Weinkellerei baute ein Mikronetz mit Photovoltaikanlagen, wodurch sich die monatlichen Energierechnungen von 15.000 USD auf 1.000 USD reduzierten.3
- Förderung von Modernisierung und Nachhaltigkeit: Mikronetze ermöglichen die Integration erneuerbarer Energiequellen in das Stromsystem, was die Treibhausgasemissionen insgesamt reduzieren und zu den Zielen für saubere Energie beitragen kann.
Eine Vielzahl von Energietechnologien wird miteinander verbunden, um ein Mikronetz zu schaffen. Jedes besteht aus mehreren Schlüsselkomponenten:
Das sind die Generatoren, die Strom für das Mikronetz erzeugen. Dazu können erneuerbare Quellen wie Sonnenkollektoren, Windkraftanlagen und Wasserkraftanlagen sowie nicht erneuerbare Quellen wie Diesel- oder Erdgasgeneratoren gehören.
Energiespeicher wie Batterien oder Schwungräder speichern den überschüssigen Strom, der vom Mikronetz erzeugt wird. Diese gespeicherte Energie kann genutzt werden, wenn die Nachfrage die Produktion übersteigt, oder in Zeiten intermittierender Stromerzeugung (z. B. nachts bei Solarstrom).
Dazu gehört die physische Infrastruktur, die für die Verteilung des Stroms von den Quellen zu den Lasten benötigt wird, wie Stromleitungen, Transformatoren und Schalter.
Das „Gehirn“ des Mikronetzes verwaltet den Betrieb, gleicht die Stromversorgung aus, integriert erneuerbare Energiequellen, verwaltet die Energiespeicherung und hält die Stromqualität aufrecht. Außerdem kann das Mikronetz bei Bedarf vom Hauptnetz getrennt und wieder angeschlossen werden. Zu den Steuerungssystemen gehören Lastmanagementtools, die das Angebot an steigende und sinkende Stromanforderungen anpassen, sowie Messgeräte, die Stromerzeugung und -verbrauch messen und so wichtige Daten für die Verwaltung des Netzbetriebs liefern.
Dies ist der physische Punkt, an dem das Mikronetz mit dem Hauptversorgungsnetz verbunden ist. Der PCC kann das Mikronetz isolieren, damit es während eines Ausfalls des Hauptnetzes im Inselmodus betrieben werden kann.
Die Implementierung eines Mikronetzes umfasst mehrere Schritte, darunter die Machbarkeitsbewertung, das Design, die Inbetriebnahme und den Betrieb. Zu den Überlegungen gehören die Auswahl der Erzeugungsquellen, die Dimensionierung des Energiespeichersystems, die Gestaltung des Steuerungssystems und die Einhaltung von Verbindungsstandards.
Technologie spielt in diesem Prozess eine entscheidende Rolle. Fortschrittliche Steuerungssysteme für Inselnetze verwenden Algorithmen, um den Betrieb verschiedener Stromquellen in Echtzeit zu optimieren. In der Zwischenzeit können digitale Technologien wie das Internet der Dinge (IoT) und Blockchain den Peer-to-Peer-Energiehandel innerhalb eines Mikronetzes ermöglichen.
Die Installation und der Betrieb von Inselnetzprojekten können mit Herausforderungen verbunden sein: Die hohen Investitionskosten von Mikronetztechnologien, wie z. B. fortschrittliche Steuerungssysteme und Energiespeicher, können potenzielle Anwender abschrecken. Der Anschluss eines Mikronetzes an das Hauptnetz erfordert eine sorgfältige Koordination, um Stromqualität und Sicherheit zu gewährleisten.
Der Mikronetz-Controller, eine kritische Komponente des Mikronetzsystems, muss den Betrieb verschiedener Stromquellen in Echtzeit verwalten und optimieren, was komplex sein kann. Auch regulatorische Hindernisse in Bezug auf Franchiserechte für Versorgungsunternehmen, Netzzugang und Tarife können einer Einführung im Wege stehen.
Die potenziellen Vorteile von Inselnetzen, einschließlich Flexibilität, Ausfallsicherheit und Effizienz, machen sie jedoch für viele Unternehmen und Gemeinden attraktiv, die neue Energiemanagementsysteme suchen. Tatsächlich nehmen die Investitionen in Mikronetze zu. Einem Bericht zufolge könnte der globale Markt für Mikronetze bis 2032 auf 55 Mrd. USD anwachsen.4
Ein intelligentes Netz ist ein fortschrittliches elektrisches Energiesystem, das digitale Kommunikations- und Steuerungssysteme mit der traditionellen Energieinfrastruktur integriert, um die Überwachung und Verwaltung der Energieflüsse in Echtzeit zu ermöglichen. Intelligente Netze optimieren die Nutzung erneuerbarer Energiequellen, reduzieren CO2-Emissionen und erhöhen die Energieeffizienz. Außerdem bieten sie den Verbrauchern durch den Einsatz von intelligenten Zählern und Hausautomatisierungssystemen mehr Kontrolle über ihren Energieverbrauch und ihre Kosten.
Die Technologien, die intelligente Netze unterstützen, können auch zur Effizienzsteigerung in Inselnetzen eingesetzt werden. Ein intelligentes Mikronetz nutzt Sensoren, Automatisierungs- und Kontrollsysteme zur Optimierung der Energieerzeugung, -speicherung und -verteilung. Intelligente Mikronetze sind so konzipiert, dass sie belastbar und zuverlässig sind und schnell auf Nachfrageänderungen oder Versorgungsunterbrechungen reagieren können.
Mikronetze bieten Energielösungen für Unternehmen und Gemeinden, die mehr Nachhaltigkeit anstreben. Sie können erneuerbare Energiequellen wie Solar-, Wind- und Wasserkraft nahtlos integrieren. Sie unterstützen auch die Elektrifizierung des Verkehrs (z. B. durch die Bereitstellung von Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge). Dadurch verringert sich die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen, was zu einer Verringerung der Treibhausgasemissionen und zur Eindämmung des Klimawandels beiträgt.
Durch die Stromerzeugung näher an der Verbrauchsquelle reduzieren Mikronetze Energieverluste, die typischerweise bei der Übertragung über große Entfernungen auftreten. Und sie können die Reaktion auf die Nachfrage besser steuern, indem sie die Last während der Spitzenzeiten reduzieren oder in die Nebenzeiten verlagern. Zusammengenommen führen diese Attribute zu einer effizienteren Nutzung der erzeugten Energie.
Zusätzlich zu den ökologischen Vorteilen einer erneuerbaren und effizienten Energieversorgung können Mikronetze die lokale Wirtschaft ankurbeln. Sie können Arbeitsplätze in den Bereichen Bau, Betrieb und Instandhaltung schaffen und so zum Wachstum der Gemeinden beitragen.
Ressourcen
Setzen Sie Nachhaltigkeit mit den Energie- und Versorgungslösungen von IBM in die Tat um.
Nutzen Sie die IBM Consulting Services im Bereich Nachhaltigkeit, um ein verantwortungsbewussteres und profitableres Unternehmen zu werden.
Verbessern Sie Ihren Versorgungsbetrieb mit den fortschrittlichen Lösungen von IBM.
Fußnoten
1 The US DoE’s Microgrid Initiative, United States of America Department of Energy, Oktober 2012.
2 How a microgrid saved Pittsburgh International Airport USD 1 Million, Microgrid Knowledge, Juli 2022.
3 Microgrid Analysis and Case Studies Report, California Energy Commission, August 2018.
4 Global Market for Microgrids Estimated to Grow to Over USD 55 Billion by 2032, PR Newswire, Januar 2024.