smart grid - Intelligentes Stromnetz

smart grid - Intelligentes Stromnetz

Beitragvon jan » Fr 19. Apr 2013, 17:30

smart grid... eine Suche bei Wikipedia gibt das Ergebnis

smart grid hat keinen (oder nur einen sehr geringen) Wortbezug zu smart-meter. smart-meter sind neue oder innovative Verbrauchserfassungsgeräte, die in verschiedenen Ausprägungen entstehen oder bereits zu haben sind. Der Gesetzgeber in DE hat lediglich festgelegt, dass ein smart-meter ein digtales Display hat, das den akt. Strombezug anzeigt. Eine allg. Definition bzgl. Erfassung, Messung, Datenspeicherung, Schnittstellen, Genauigkeit, Datenübertragung, ... gibt es nicht. In Deutschland ist nur das digitale Display definiert... also eher gar nichts. Es gibt auch keine Gruppendefinitionen für solche Geräte, z.B. Genauigkeitsklassen die es früher gab, - die den Herstellern oder Käufern künftig einen Anhalt bieten könnten.

smart grid ist das künftige Versorgungsnetz zw. Erzeugung und Verbraucher (Strom, Gas, Wasser, ...). Durch die politisch gewollte Energiewende und aufgrund der künftigen dezentralen Energieerzeugung gibt es neue und andere Anforderungen an die künftigen Stromnetze und besonders die Netzknoten. (Überregional, Regional, Kommunal, Straßenzüge, Haushalte... International)

Ein typischer kommunaler Netzknoten (z.B. eine Trafostation) entnimmt dem Mittelspannungsnetz die benötigte Energie und die benötigte Spannung... und stellt das mehreren Verbrauchern (z.B einem Straßenzug) zur Verfügung. Da ergibt sich bei den Verbrauchern entlang der Straße eine von Haus zu Haus minimal verschiedene Versorgungsspannung. Diese Anlagen wurden früher einmal dimensioniert, geplant und installiert und verrichteten dann ihren Dienst 20,40 vielleicht 80 Jahre - ohne das da etwas angefasst wurde, oder angefasst werden musste. In der Mitte des geplanten Straßenzuges ergab sich so eine Versorgungspannung von ca 400V, die davor liegenden Häuser haben eine geringe Überspannung (2-4%) die dahinter liegenden Häuser eine Unterspannung in ähnlicher Ausprägung. (Es gibt andere Netzschwankungen, Netzprobleme). Doch die Spannung[V] ist wegen dem Druckvergleich mit einer Wasserleitung ein anschauliches, allgemeines Beispiel. Bei neuen Netzmodellen sind Anpassungen nicht nur im Stunden- und Minutenbereich vorhersehbar, sondern erforderlich. Wenn in Polen die Leitungsknoten „glühen“ und Deutschland auf „liefern“ schaltet – so ist das nicht unbedingt eine funktionierende, optimale Konstellation. Da aber vermutlich niemand will das die Netzknoten in Polen leuchten, müssen Informationen fließen, Handlungsprogramme und Alternativen geplant und vorhanden sein. Diese Informationen müssen recht schnell und recht zuverlässig „fließen“... wann das klappt so ist das smart, und wenn die Knoten nicht glühen, dann bleibt es ein grid, ansonsten war es ein grid und in Polen oder in Deutschland wird es dunkel – also nicht sehr smart. Neu is da eigentlich wenig, außer die Geschwindigkeit, mit der die Informationen auflaufen und gehandelt werden muss. Waren da bei vielen Veränderungen bisher vom Tag bis zu Jahren vieles möglich - so geht es da im internationalen und regionalen Bereich eher um Minuten - und die Sekunde ist das wünschenswerte Ziel. War es früher der Messtrupp oder den Bautrupp, den man bei Problemen losgeschickt hat - sind es heute oft Rechenmodelle und Handlungspläne, die im Fokus der Entscheidung stehen.

Deshalb will man das smart-grid - das intelligent Netz. Intelligent (smart) heißt in diesem Zusammenhang einfach, dass man ein funktionierendes Energieversorgungsnetz planen und besitzen möchte. Doch das WIE ist in vielen Details nicht geklärt. Wie löst man das Problem, wenn München friert und in der Ostsee die Windräder "fliegen" gehen? Zwei unabhängige Probleme, die nach "Ausgleich" förmlich schreien - und jetzt kommen Sie. Wie bekommen Sie den Energieüberschuss in der Nordsee zügig und möglichst verlustlos durch die Republik? Oder schalten Sie die Windräder auf Leerlauf um die Betriebsrisiken zu minmieren und kaufen Sie in der Schweiz oder in Frankreich. Dann sind die Probleme zwar immer noch nicht gelöst - wenn Sie aber sehr schnell rechnen und noch schneller entscheiden, so kann das Risiko einer Fehlentscheidung (zumindest theoretisch) minimiert werden. An solchen Rechenaufgaben arbeiten bei Siemens ganze Divisionen von Doktoren und Professoren. Das Ergebnis einer solchen Rechnung kann sein, bezahle einem Stromabnehmer in Niedersachsen 4ct/kwh ... Hauptsache der Strom geht weg und kaufe in Tschechien einige GWh (GigaWattStunden) - weil das billiger ist als der Leitungsverlust und der Leerlauf der Windräder.

Die Netzschwankungen (Netzprobleme) haben alle etwas gemeinsam: In einem gewissen Bereich sind sie "erträglich" und ab einem gewissen Bereich (Schwelle) werden sie "unerträglich" (Kosten, Schäden, Gefahren, Risiken, Versorgungssicherheit, Anlagensicherheit, Betriebssicherheit, ...) Diese Ausdrücke signalisieren auch bereits, dass ein smart-grid heute nicht ein Problem der heutigen Endverbraucher (Ausnahmen große Einzelverbraucher) sind, sondern eher (und zuerst) oberhalb der Niederspannungsversorgung (EVU) bei den Netzknoten in Mittelspannung und Hochspannung ein Thema sein werden. Was natürlich nicht heißen soll das morgen (eher in 20-40 Jahren...) auch Hausgeräte, Hausinstallationen oder KFZ am künftigen smart-grid einen definierten Anteil haben werden (haben müssen..). (Praktisches Beispiel heute: gesteuerte Heizungspumpe, Wärmepumpen im häusl. Bereich, Kraft/ Wärmekopplung ...)

Wer sich da heute Gedanken machen möchte, was in seinem häuslichen Bereich möglich ist kann zwischen vielen Sensoren, Messgeräten, Datenerfassungen, Datenspeicher und Auswertungsmöglichkeiten wählen, evt. bereits per App vom Smartphone aus prüfen, regeln oder steuern. Ein Ausblick auf die Auswertungsmöglichkeiten bekommt man, wenn man weiß, dass bereits heutige Erfassungsgeräte, - verbunden mit den notwendigen Datenmodellen und Geräten, als Ergebnis liefern, welcher Kühlschrank oder welches Fernsehgerät im Haushalt steht. Möglich ist bereits über den Stromverbrauch des Fernsehers der Rückschluss(Pixeldichte) welches Programm angesehen wird (Das ist keine Zukunft, sondern die heute mögliche Realität). Damit sind wir dann bei einem weiteren Element im künftigen smart-grid angekommen: Die Information und die Kommunikation, aber auch bei Datenschutz und Datensicherheit. Fließt der Strom nur vom Kraftwerk zum Haushalt, - so genügte bis heute als Informationsschnittstelle der Stromzähler und eine Sicherung. Der Stromzähler ist die Informationsquelle für die Stromnutzung und die Stromabrechnung und solange die Sicherung standhält ist der Netzbetrieb (vermutlich...) im definierten, vorgesehen Bereich.

Mit dem Informationsbedarf der Netzbetreiber ändert sich nicht nur Art und Menge der Informationen, es steigt auch der Wert der Netzinformationen. Früher (der Strom ging früher nur nach unten...) hatte der Netzbetreiber alle Informationen bis zum Stromzähler in „eigenen“ Händen. Bei Großabnehmern (Schmelzen, Raffinerien, Industrien..) gibt es heute bereits Meldeeinrichtungen, die kurzfristige Veränderungen zu einem geplanten Lastprofil an den Versorger mitteilen. Im kommunalen Bereich ist das heute eher selten. Es genügen einige Windräder, evt. Nur ein Aussiedlerhof mit einer nennenswerten PV-Anlage, und die Lage ändert sich komplett. Neue Leitungen, ein größerer Trafo, neue Sicherungen, andere Steuerung, neue Rechenmodelle … kleine Netzveränderungen können zu beachtlichen Kosten führen. Das ist ein Grund, warum die Netzbetreiber und die Stromversorger heute verschiedene Unternehmen sind. Doch ein privater oder kommunaler Energieerzeuger möchte wahrscheinlich nicht alle Details seines Geschäfts (Geschäftsgeheimnis, Geschäftsmodell, Anlagendaten, Erlöse, Kosten, Adressen …) an den Versorger(den Lieferanten) geben. Da gibt es berechtigte und vermeintliche Interessenskonflikte und Interessenskollisionen – das vereinfacht das Miteinander der Geschäftspartner im Netz(grid) zukünftig nicht unbedingt.

Kürzere, (vorhersehbare, unvorhersehbare) Ereignisabläufe machen andere Technik erforderlich. War ein Transformator früher zur Versogrung eines Straßenzuges mit 46 Haushalten belastet, so kommen heute evt. 21 Photovoltaikanlagen dazu, die jederzeit in variablen Mengen einspeisen möchten oder wenn eine Wolke vorbeikommt – nicht einspeisen möchten. Wenn als Ziel nur die Versorgungssicherheit gesehen werden muss, so ist doch recht schnell festzustellen, das nun Informationen schnell, und am Besten automatisch, hin und her fließen müssen. (Ein praktisches Beispiel: Die Stadtwerke SHA berechnen und schalten ihr Versorgungsnetz z. Zt. (Apr. 2013) alle 15 Minuten, das Rechenprogramm dazu rechnet 6 Minuten, ein Kohlekraftwerk startet oder stoppt in 4-6 Stunden, ein gasbetriebener Generator in 0,5-1 Stunde, ein Wasserpeicher kann im Minutenbereich gesteuert werden. Windkraft kann gar nicht gesteuert werden, Windkraft kann bestenfalls im Stundenbereich prognostiziert werden. Ein Stromnetz braucht ein gewisse Trägheit. Transistoren sind überhaupt nicht träge, ein Argument für das Braunkohlekraftwerk – das ist sehr träge... also gut für die Grundlast(Grundlastfähigkeit) Experten entwickeln Algorithmen die künftig im Minutenbereich „funktionieren“ werden und funktionieren müssen) Es ist sehr leicht „zu spüren“ dass die Stadtwerke SHA kaum etwas im Minutenbereich regeln – wenn nur alle 0,25Stunden eine Berechnung startet. Doch kann jeder Laie sofort bemerken, wenn er den Toaster oder die Waschmaschine startet und nichts würde passieren. Bei einer Heizung oder einer Waschmaschine wäre es aber vorstellbar, das wir es nicht wirklich bemerken würden, wenn da 15 oder 30 Minuten, ggf. länger - nichts passiert. Doch genau diese „trägen“ Verbraucher sind sehr selten.

Wo sind die alten, smarten Doppeltarifzähler geblieben? Das war ein erster Ansatz zum intelligenten Stromverbrauch oder Verbrauchsregelung durch Nachttarif. Nicht nur die Doppeltarifzähler für den günstigen Nachtstrom sind weg – die Tarife sind weg. Der einzige bisher ernsthafte Versuch, Stromverbrauch intelligent und kostengünstig ist weg. Was ist da smart – warum sind die "smarten" Nachttarif verschwunden? Die Doppeltarifzähler und den Nachtstrom bei lokalen Versorgen gibt es das schon nach zu kaufen, doch heute ist es möglich, dass ein reiner Hauptzeittarif insgesamt günstiger ist als ein HT/NT-Tarif.

Was die künftigen Stromnetze verändern wird, und teilweise bereits heute sehr verschiedene Betrachtungen bei den Stromversorgern notwendig macht, ist die einfach Tatsache, das früher Strom immer von oben(Strom-Erzeugung) nach unten(Strom-Verbraucher) geflossen ist. Heute bereits (und künftig noch mehr) fließt auch Strom von unten nach oben. Die dezentrale Einspeisung wird zunehmen. Viele kleine Stromverbraucher speisen heute bereits Energie ins Netz, wo früher nur Strom in eine Richtung(verbraucht) geflossen ist, wird nun Strom von Verbrauchern eingespeist(geliefert). Teilweise wird heute auch mehr eingespeist als früher bezogen wurde – also braucht der „ENDVERBRAUCHER“ nicht nur neue Technik sondern auch neue Leitungen, evt. einen neuen oder weitere Mittelspannungstransformatoren am Netzknoten dazu...

Praktischer Weise "kommt" Strom (die Energie) von einem Energieerzeuger. Das kann ein Kraftwerk (Atom, Kohle, Gas, Wind, Wasser, ...) sein, ein Stromspeicher (Speicherbecken, Batterie, ...) oder ein Windrad, ein Windpark oder eine Autobatterie. Eine Autobatterie ist primär zum Antrieb eines Elektrofahrzeuges notwendig, ein Verbund nicht genutzter Elektrofahrzeugbatterien kann zum Stromspeicher eines Verbundes werden... smart und schnell verfügbare Informationen sind eine Voraussetzung dazu. Doch was ist praktisch? Real muss die Stromversorgung „gehandelt“ und „bezahlt“ werden – das machen Strombörsen. Dort können Versorger sich mit einem Kontingent „einkaufen“ - dieses Kontingent muss bezahlt und abgenommen (oder geliefert) werden. Es kann sein, internationale oder regionale Netze sind überlastet, dann kann sich der „Bezug“ lohnen – eine Stromabrechnung kann dann -x EUR ausweisen. Aus verständlichen Gründen möchten die Energieerzeuger und die Netzbetreiber diesen Zustand mit aller Kraft verhindern, und trotzdem etwas liefern und leisten... natürlich auch Abrechnen. Also müssen Rechenmodelle, Informations- und Kommunikationsgeräte und Regelgegeräte her die dafür sorgen, das die EVU's morgen etwas berechnen können – überleben können.

Interessant wird auch die Zeit nach dem EEG. Was passiert, wenn ein Straßenzug (oder eine Kommune) seinen Verbrauch und seine Erzeugung in eigener Regie handelt, evt. nur noch in wenigen Stunden oder wenigen Tagen mit „externem“ Strom versorgt werden möchte? Dann aber ein Anspruch auf Versorgungssicherheit und Netzsicherheit bestehen soll. Wie wird man das berechnen (technisch, kaufmännisch, Sicherheitstechnisch, …)? Zur Zeit hat Deutschland ein EEG mit finanzieller Erfolgsgarantie. Solarpaneele sind (waren) eine Erfolgsaktie.... hat man gedacht. Würth hat die Produktion komplett aufgegeben, mehrere Insolvenzen steht der Branche in Europa an und selbst in China „funktioniert“ die Produktion von Solarpaneels mittlerweile nur noch mit direkter staatlicher Förderung... Subvention! Also wird das EEG auch nicht unendlich lange laufen können, denn nur die Nichterzeuger zahlen in den Topf ein. Sinkt die Zahl der Nichterzeuger, also typischer weise der Kleinverdiener ohne Eigentum, so werden diese Nichterzeuger immer weniger bereit sein die Umlage zu finanzieren, besonders da die Lasten gegenläufig dazu – steigen werden. Das EEG ist also politisch und wirtschaftlich keine endgültige oder nachhaltige Lösung ...

Strommessung, Stromzähler... die Branche kränkelt. Jeder weiß das der alte Ferraris-Zähler ausgedient hat, jeder weiß, dass die künftigen Stromzähler elektronische Zähler sein werden... doch welche Ausprägungen wird das künftige smart-grid notwendig machen? Mit welchen Vorteilen kann ein Gerät oder ein Hersteller sich durchsetzen oder um Marktanteile kämpfen. Es gibt auch Überlegungen, dass ein künftiges Netz im Wohnbereich einfach auf eine Kopf-Pauschale abheben könnte, doch sehr sicher wäre dieser Tarif nicht. Gerade im privaten Erfassungsbereich, wo früher massenweise standardisierte Geräte (PTB-Zulassung) in Deutschland verbreitet waren, herscht eine große Unsicherheit. Der Gesetzgeber verordnet jedem privaten Neubau ein smart-meter... also ein Diplay im Keller, und das war's. Die günstigen, vom intelligentenVerbrauch abhängigen Tarife im Haushaltsbereich gibt es nicht.

Das künftige "grid" und was da "smart" sein wird, ist selbst für Fachleute heute nicht darstellbar. Die Zukunft und die jeweils mögliche, anwendbare Technik werden das gestalten.

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Quellen & Verweise:
VHS-SHA: Smart Grids - Dezentrale Erneuerbare brauchen intelligente Stromnetze! Donnerstag, 18.04.2013, 20 Uhr
Dr. Florian Steinke, Siemens AG, Corporate Technology, Research Scientist Control Systems mit freundlicher Unterstützung der Stadtwerke, Stadtwerke, Vortragsraum - Die zunehmende Verbreitung dezentraler Stromerzeugungstechnologien, wie zum Beispiel der Solarenergie, stellt die regionalen Stromverteilnetze vor zahlreiche neue Herausforderungen. Zum einen stoßen die Leitungen technisch immer öfter an ihre Belastungsgrenzen, zum anderen bedarf die Koordinierung und Vermarktung der vielen kleinen Erzeuger nach Ablauf der fixen staatlichen Förderung neuer Regeln und Mechanismen. Anhand dieser zwei Schwerpunkte gibt der Vortrag einen Einblick in aktuelle Themen der Forschung im Bereich der Smart Grids.



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