Intelligente Verteilnetze
Im liberalisierten Strommarkt haben sich insbesondere auf der Verteilnetzebene die Anforderungen an das Netz grundlegend verändert. Dr. Martin Wolter zeigt, dass diese stark von den zumeist finanziell getriebenen Interessen der einzelnen Markteilnehmer abhängen, namentlich auf der einen Seite von den Erzeugern und Verbrauchern elektrischer Energie und auf der anderen Seite von den Netzbetreibern.
Veränderte Marktsituation
Verbraucher erwarten eine zu jedem Zeitpunkt gesicherte Energieversorgung zu günstigen Preisen. Da ihr Energieverbrauch täglichen und saisonalen Schwankungen unterliegt, zeigen sie ein annähernd periodisches Verhalten mit klaren Lastspitzen am Tage und geringem Verbrauch in der Nacht. Der Momentanwert der bezogenen Leistung ist allerdings nur sehr schwer vorherzusagen.
Genau wie die Betreiber konventioneller Großkraftwerke versuchen die Besitzer dezentraler Kleinerzeuger, ihre Anlage möglichst profitabel zu betreiben. Daher sind sie bestrebt, die Energieabgabe zu maximieren. Im Regelfall unterliegt die Abgabe elektrischer Leistung dabei starken Schwankungen. Sie erklären sich einerseits insbesondere bei Erzeugern auf der Basis regenerativer Quellen durch ein variables Primärenergieangebot und andererseits bei Anlagen mit Kraft-Wärme-Kopplung durch den fluktuierenden Wärmebedarf. Es ist offensichtlich, dass die bereitgestellte und abgenommene Leistung zeitlich nicht korreliert ist und es somit zu Energietransporten
in der Verteilnetzebene kommt. Der weitere Ausbau dezentraler Kleinerzeuger wird diesen Effekt noch weiter verstärken.
Netzbetreiber müssen allen Marktteilnehmern diskriminierungsfreien Zugang zu ihren Netzen gewähren. Darüber hinaus müssen sie ihre Anlagen sicher, verlässlich und wirtschaftlich betreiben. Dazu gehören die Vermeidung von Betriebsmittelüberlastungen, die Einhaltung von Spannungstoleranzbändern und die Beachtung gesetzlicher Vorgaben und Rahmenbedingungen. Demgegenüber steht das Bestreben, den Gewinn durch Netznutzungsentgelte zu maximieren. Es ist offensichtlich, dass sich die Ziele der einzelnen Parteien zumindest teilweise widersprechen. Um dennoch eine alle Marktteilnehmer
zufrieden stellende Grundlage zu schaffen, werden Energiemanagementsysteme entwickelt. Von ihnen wird erwartet, dass sie die ökonomischen und technischen Interessen der Verbraucher, Erzeuger und Netzbetreiber vereinen und erfüllen. Dabei übernimmt der Netzbetreiber eine Schlüsselrolle.
Einsatz von Energiemanagementsystemen
Energiemanagementsysteme bieten den Netzbetreibern Konzepte an, sich den derzeitigen und zukünftigen Herausforderungen des Energiesektors zu stellen. Dafür nehmen sie Einfluss auf alle an der Energieversorgungskette beteiligten Prozesse. Ihr vorrangiges Ziel ist es, unter technischen, wirtschaftlichen und rechtlichen Rahmenbedingungen einen sicheren und effizienten Betrieb des Elektroenergiesystems zu garantieren.
Dies geschieht zum einen durch ein Last- und Erzeugermanagement und zum anderen durch die Schaffung von Anreizsignalen zum Netzaus- oder Netzrückbau. Dieser wird erforderlich, da die wachsende Anzahl dezentraler Erzeugeranlagen zu radikal veränderten Beanspruchungen der als reine Verteilnetze mit monodirektionaler Energieflussrichtung geplanten Niederund Mittelspannungsnetze führt. Aufgrund ihrer begrenzten Übertragungsfähigkeit sollten Energietransporte dort weitestgehend vermieden werden, da sie zu hohen Verlusten und Spannungsabfällen führen. Das heißt, die bereitgestellte Leistung sollte möglichst ortsnah wieder abgenommen werden. Im Regelfall entspricht aber das dezentral bereitgestellte Leistungsangebot nicht der Nachfrage der Abnehmer, sodass es im schlimmsten Fall sogar zur Rückeinspeisung ins überlagerte Netz kommt. Daraus resultieren schwer vorhersagbare, sich schnell ändernde Systemzustände, die die gegebenen Grenzwerte überschreiten können.
Damit das Energiemanagementsystem die optimale Netzführungsstrategie finden kann, sind Informationen über den Netzzustand zwingend erforderlich. Aus historischen Gründen sind Nieder- und Mittelspannungsnetze allerdings nur spärlich mit Messtechnik ausgerüstet, sodass deren Zustand nicht vollständig erfasst werden kann. Der erste Schritt hin zu einem intelligenten Netz ist also die Entwicklung von Zustandsbeobachtern für die Verteilnetzebene.
Intelligente Netze
Intelligente Netze, sogenannte Smart Grids, sind Netze, die in der Lage sind, sich selbst zu steuern und dabei ökonomische Ziele zu verfolgen. Dies setzt auf der einen Seite einen hohen Automatisierungsgrad, Kommunikationsinfrastruktur sowie einen Netzbeobachter und auf der anderen Seite das Zusammenwirken von Lasten, Erzeugern und Netzbetreibern voraus. Durch geschickte Einsatzplanung lassen sich so z.B. Netzverluste minimieren, Spannungsschwankungen stabilisieren und die Übergabeleistung wirtschaftlich optimieren.
Noch einen Schritt weiter geht das Prinzip des MicroGrids. Es handelt sich dabei um ein Teilnetz, das sowohl netzgebunden als auch autonom als Inselnetz betrieben werden kann und in der Lage ist, seinen Energiebedarf ggf. selbst zu decken. Wesentliche Vorteile dieses Konzepts sind neben der durch die Inselfähigkeit bedingten ortsnahen Abnahme von eingespeister Leistung vor allem die wirtschaftliche Integration regenerativer Energieerzeuger, die Reduzierung von Netzverlusten und die Erhöhung der Versorgungszuverlässigkeit.
Ein MicroGrid besteht also mindestens aus einem Erzeuger und einer Last. Zum Ausgleich von Abnahme- bzw. Einspeisespitzen ist der Einsatz eines zusätzlichen Energiespeichers denkbar. Ein privater Haushalt mit eigener Energieerzeugung kann demnach ebenso ein MicroGrid darstellen wie beispielsweise ein Firmennetz oder ein Mittelspannungsteilnetz. Generell gilt: Je größer ein MicroGrid wird, umso besser lassen sich Schwankungen bei der Erzeugung und der Last ausgleichen. Nichtsdestotrotz stellt das Konzept des MicroGrids insbesondere im autonomen Betrieb hohe Anforderungen an die Regelstrategie, damit Spannungs und Frequenztoleranzbänder nicht verletzt werden.
wolter@iee.uni-hannover.de
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