Berlin Juni 2021. Das Stromnetz ist ein Netzwerk für die Verteilung von elektrischer Energie von den Erzeugern an die Kunden. Zu einem großen Teil trägt es zu dem komfortablen Alltag bei, den wir kennen. Nachfolgend werden wir das Stromnetz aus der Sicht von EnergyLabs beleuchten. Thematisiert wird zunächst die Entwicklung des Stromnetzes, sein Wachstum über die Jahrhunderte, der Status Quo sowie zukünftige Anforderungen und Herausforderungen an das Stromnetz. Schließlich schauen wir uns an, wie ActiveEnergy eine mögliche, unmittelbare Lösung sein könnte, um die durch das Netz verursachte Energieverschwendung zu reduzieren.
Warum haben wir ein Stromnetz?
Wir sind immens auf Energie angewiesen. Ein Leben ohne elektrische Geräte ist fast unvorstellbar. Wir nutzen sie für Kommunikation, die Arbeit und Schule, unsere Unterhaltung und zunehmend auch für den Transport. Die gängigste Art der Energieverteilung ist die elektrische Energie. Seit Beginn der Elektrifizierung der Städte in den 1880er Jahren musste die Verteilung von elektrischer Energie bewältigt werden und so wurden die Netze von elektrischen Leitungen um Kraftwerke herum aufgebaut und erweitert.
Das Stromnetz?
Heutzutage ist das Stromnetz ein Netzwerk für die Verteilung und Lieferung von elektrischer Energie vom Erzeuger an die Kunden. Beispiele für Netzbetreiber sind beispielsweise Stromnetz Berlin, Netzgesellschaft Düsseldorf oder Stromnetz Hamburg. Obwohl wir es oft als „das Netz“ bezeichnen, ist es nicht so einfach. Elektrische Netze gibt es in verschiedenen Größen, Leistungsstufen und mit verschiedenen Zwecken auf der ganzen Welt. Sie werden nach Funktionen, Standorten oder Spannungsebenen kategorisiert und laufen unter Bezeichnungen wie Übertragungsnetz, Verteilungsnetz, ländliche oder städtische Netze.
Ein Rückblick
In den frühen 1880er Jahren kamen zwei Dinge zusammen: Die Technik zur Erzeugung und zum Transport von Elektrizität verbesserte sich und gleichzeitig wuchs die Notwendigkeit, Gas als gängigen Energieträger zur Beleuchtung der Straßen und Häuser auszutauschen. Infolgedessen begann die Elektrizität an Bedeutung für das öffentliche Leben zu gewinnen.
Etwa ein halbes Jahrhundert nach der Erfindung der ersten Maschinen zur Erzeugung von elektrischer Energie entstanden die ersten Kraftwerke. In London wurde beispielsweite 1882 das erste in Betrieb genommen. Es versorgte Lampen mit elektrischem Strom und sorgte für die Beleuchtung von Straßen, aber auch von Privathäusern. Im selben Jahr ging auch in New York das erste Kraftwerk in Betrieb.
Diese frühen Kraftwerke wurden mit Kohle betrieben und erzeugten einen Gleichstrom („direct current“ oder auch DC) mit einer Spannung von 110 V, im Gegensatz zur später entwickelten Technologie des Wechselstroms („alternating current“ oder auch AC). Aufgrund der Natur des Gleichstroms waren allerdings die Energieverluste hoch, und dementsprechend erhielten die Häuser der Kunden durchschnittlich nur eine Spannung von 100 V. Da die Energieverluste direkt mit der Länge eines Drahtes korrelieren, waren diese frühen Gleichstromverteilungsnetze auf einen Radius von circa einem Kilometer um ein Kraftwerk beschränkt.
Mit dem Aufkommen der Wechselstromtransformatoren konnte der Wechselstrom auf andere Spannungsebenen hoch- und heruntergestuft werden. Die Anhebung der Spannungsebene ist eine Technik, die die Fernübertragung effizienter macht und auch heute noch angewendet wird. Erste wichtige Präsentationen dessen fanden auf der Elektrotechnischen Ausstellung von 1891 in Frankfurt statt. Für die Ausstellung wurde erstmals die dreiphasige Fernübertragung von Starkstrom über eine Strecke von 175 km erreicht. Bereits 1885 wurde die erste Wechselstromleitung für die öffentliche Beleuchtung in Rom installiert. Viele Beispiele folgten. Die Versorgung mit elektrischer Energie wurde im 20. Jahrhundert zu einem bedeutenden Faktor für eine wachsende Industrie und steigende Lebensstandards.
WASG – Ein Stromnetz der Sonderklasse
Der Grundstein des Stromnetzes wurde gelegt, als einzelne Übertragungsleitungen zu flächendeckenden, regionalen, nationalen und internationalen Netzen verbunden wurden. Als die Größe und Anzahl der Netze wuchs, wurden diese Netze aus Gründen der Skalierbarkeit, Sicherheit und Redundanz synchronisiert und standardisiert. Heutzutage gibt es mehrere Wide Area Synchronous Grids (WASG). Um einige Beispiele zu nennen: die Eastern Interconnection, die den Osten der USA und den Osten Kanadas verbindet, das National Interconnected System (SIN), das das Gebiet Brasiliens verbindet oder das synchrone Netz von Kontinentaleuropa. Letzteres hat eine Gesamterzeugungskapazität von 1.023.721 Megawatt (MW), was dem Energiebedarf von 1,8 Billionen 4-Personen-Haushalten oder 10,2 Milliarden Autos entspricht.
Limitierungen und Herausforderungen – wohin geht die Reise der Stromnetze?
Bereits bei der heutigen Nachfrage, und mehr noch in Bezug auf künftige Erwartungen, werden wir mit Herausforderungen und Grenzen der Netze konfrontiert werden. Die heutigen Anforderungen an das Stromnetz sind nicht mehr so vorhersehbar wie vor rund 50 Jahren, als sich die Struktur des Netzes herausbildete. Faktoren wie die E-Mobilität und die Notwendigkeit, zu 100 % auf erneuerbare Energiequellen angewiesen zu sein, machen das System komplexer. Die Regulierung von Frequenz und Spannung wird immer schwieriger. Zudem steigt der Energiebedarf so stark an, dass die Fernnetze an ihre Grenzen stoßen.
Die steigende Anzahl von Elektronik, die für Beleuchtung und Unterhaltung in Industrie, Büros und Privathäusern verwendet wird, hat ebenfalls Auswirkungen auf die Qualität des Netzes. Darüber hinaus hat auch die technische Qualität eines jeden Gerätes Einfluss auf die Netzqualität. Denn leider entsprechen nicht alle Geräte dem gleichen technischen Standard. Das Ergebnis ist eine sinkende Qualität des gelieferten Stroms. Eine Einheit zur Messung der Stromqualität ist der Leistungsfaktor. Da die Stromnetze stark miteinander verbunden sind, bleiben diese Auswirkungen nicht nur eine lokale Herausforderung, sondern nehmen einen nationalen und kontinentalen Maßstab an.
Die Integration von erneuerbaren Energiequellen ist nach wie vor eine Herausforderung. Erneuerbare Energiequellen liefern nicht kontinuierlich Strom, wie es klassische Kraftwerke tun. Solarenergie ist nur während des Tages verfügbar und selbst dann schwankt sie je nach Wetterlage. Die Windenergie ist noch stärker vom Wetter abhängig. Vorhersagen über die verfügbare Windkraft können nur statistisch in Bezug auf Jahreszeiten gemacht werden. In diesem Zusammenhang liegt es auf der Hand, dass konventionelle Kraftwerke als Backup für den Fall eines Mangels an erneuerbarer Energie in Bereitschaft gehalten werden müssen.
Doch was bedeutet das? Weiträumige synchrone Netze müssen in Bezug auf Nachfrage und Angebot von Energie ausgeglichen arbeiten. Bei steigendem Stromverbrauch und/oder sinkender Stromerzeugung, sinken Spannung und Frequenz. Bei steigender Produktion und sinkendem Verbrauch steigen sie. Die Stromerzeuger müssen also ständig auf Verbrauchsspitzen und -täler reagieren. Doch während sie ihr Bestes geben, schwankt die an den Kunden gelieferte Spannung. Um diese Effekte zu kompensieren, könnten groß angelegte Energiespeicher eine Lösung sein.
Lösungsvorschläge
Der Lösungsvorschlag von EnergyLabs ist ein hochgradig vernetztes Netzwerk aus dezentralen Knoten, die sowohl als Energiequelle als auch als Energieabnehmer fungieren können. Das bedeutet, dass im Optimalfall jedes Gebäude nicht nur an das Stromnetz angeschlossen sein sollte, sondern auch mit erneuerbaren Energiequellen und Energiespeichern versorgt wird. Die Gebäude sollten in der Lage dazu sein, ihren Verbrauch und andere Informationen, wie den Leistungsfaktor, an das Stromnetz oder auch die Nachbargebäude zu übertragen. Auf diese Weise wird das Netz zu einem transparenten und intelligenten Netzwerk. Es wird uns ermöglichen, nachzuverfolgen, wo wann wie viel Energie verbraucht wird.
Entsprechend können dann Energiequellen oder Energiespeicher in der direkten Umgebung nach Bedarf aktiviert werden. Die Energieübertragung über große Entfernungen wird damit einhergehend an Bedeutung verlieren und das gesamte System wird an Effizienz gewinnen, sowie die Energieverschwendung, mit der wir heute konfrontiert sind, reduziert werden.
Für die Übergangsphase bietet EnergyLabs vorerst eine Sofortlösung für unsere Partner an. ActiveEnergy reduziert die Energieverschwendung in Gebäuden und sorgt für Energie- und CO2-Einsparungen, und damit einhergehend auch die Reduktion der Stromrechnung. Die AE PowerStation optimiert die Spannungslevel und AE Hub ermöglicht die Visualisierung von Energieeinsparpotenzialen. Beide Geräte in Kombination mit der AE Cloud machen das Stromnetz transparenter und helfen uns, unsere Künstliche Intelligenz zu trainieren, effizienter zu handeln und die Einsparungen zu maximieren.
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