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Allrounder im Smart Grid

  • 9/14/2020

    • Batterien, Power-to-Gas- und Power-to-Heat-Anlagen bieten eine für die Energiewende unverzichtbare Funktion: Sie gleichen Schwankungen im Stromnetz aus und ermöglichen so den weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien und der E-Mobility. Derzeit wird die Technik auf breiter Front erprobt.

    Der steigende Anteil fluktuierender Stromerzeuger führt zu Problemen. Die Kapazität schnell steuerbarer Kraftwerke reicht nicht mehr aus, um die schwankende Produktion der Windturbinen und Solaranlagen auszugleichen. Die ersten Auswirkungen zeigen sich in Norddeutschland: Weil Windräder zeitweise mehr Strom produzieren, als das Stromnetz aufnehmen kann, müssen sie abgeregelt werden. 3,5 Milliarden Kilowattstunden Strom gingen durch dieses sogenannte Einspeisemanagement 2016 verloren – das entspricht in etwa dem Bedarf einer deutschen Großstadt.

    „Deshalb brauchen wir neben neuen Netzen auch Speicher für den zeitlichen Ausgleich des schwankenden Energieangebots“, sagt Urban Windelen vom Bundesverband Energiespeicher (BVES). Bisher sehen Netzbetreiber keinen zwingenden Grund, sie einzusetzen, da sie die erforderliche Flexibilität günstiger abdecken können, zum Beispiel durch flexibel einsetzbare fossile Kraftwerke oder Stromhandel mit Nachbarstaaten. Analysen zeigen jedoch, dass diese Maßnahmen künftig nicht mehr ausreichen werden. Der Anteil der erneuerbaren Energien am Strommix liegt in Deutschland aktuell bei knapp 40 Prozent. Ab 60 Prozent, so die Prognosen, wird sich das Energiesystem nur noch mit zusätzlichen Speichern stabil halten lassen.

    Wir brauchen neben neuen Netzen auch Speicher für den zeitlichen Ausgleich des schwankenden Energieangebots.

    Urban Windelen, Geschäftsführer des Bundesverbands Energiespeicher

    Auch die aufkommende Elektromobilität wird auf Speicher angewiesen sein. „Wenn wir in Deutschland alle elektrisch fahren, dann brauchen wir 15 bis 20 Prozent mehr Strom als heute nur für den Pkw-Verkehr, das sind in etwa 100 Terawattstunden“, sagt der Honorarprofessor Peter Birkner von der Bergischen Universität Wuppertal. Stress droht der Infrastruktur vor allem dann, wenn sich die zu erwartende Lastspitze der Elektrofahrzeugflotte zwischen 17 und 20 Uhr mit der bereits bestehenden Lastspitze überschneidet. Speicher könnten das Problem mindern, indem sie in dieser Zeit zusätzliche Leistung zur Verfügung stellen.

    „Multi-Use“ als Zukunftsmodell

    Solarstromtankstellen böten eine konkrete Lösung. Immer mehr Unternehmen investieren in Photovoltaikanlagen und koppeln diese mit einer Lithium-Ionen-Batterie, um einen möglichst hohen Anteil ihres Strombedarfs mit selbst produzierter Solarenergie zu decken. Die Batterie könnte auch Ladesäulen speisen, sodass weniger Elektroautos auf das öffentliche Netz angewiesen sind. Discounter Aldi-Süd setzt das Konzept bereits in einigen seiner Filialen um. Die Vorteile: Das Unternehmen spart durch die solare Eigenversorgung Stromkosten, gewinnt mit der Zapfsäule weitere Kunden und sorgt außerdem dafür, dass das Netz geschont wird. „Solche Multi-Use-Anwendungen bringen großen Benefit“, sagt Windelen.

    Aber nicht nur Batterien, sondern auch Langzeitspeicher wie Power-to-Gas-Anlagen sind bei der Energiewende gefragt. Immer dann, wenn Windräder zu viel Strom produzieren, wandelt ein Elektrolyseur die Überschüsse in Wasserstoff um. Das Gas wird in Tanks gespeichert und bei steigendem Strombedarf wieder verbrannt. Oder es wird in Methan umgewandelt und in das bestehende Erdgasnetz eingespeist, das Heizungen, Kraftwerke und Tankstellen versorgt. Somit bringt auch Power-to-Gas doppelten Nutzen: Es sorgt für Netzentlastung und bindet zudem die Sektoren Wärme und Mobilität ein, die bei der Energiewende bisher zu kurz kommen.

    Damit Speicher sicher zur Verfügung stehen, wenn sie gebraucht werden, erproben Industrie und Forschung Batterien und Power-to-Gas in zahlreichen Projekten. Zu den neuesten zählt das Pilotprojekt von Übertragungsnetzbetreiber TenneT und Speicherhersteller Sonnen, in dem ein Batteriepool aus 6.000 Heimspeichern gezielt zur Vermeidung von Netzengpässen eingesetzt wird. „Statt grünen Strom im Norden wegzuwerfen, speichern wir ihn. Statt Großkraftwerke im Süden hochzufahren, rufen wir Solarstrom aus Speichern ab“, sagt Philipp Schröder, Geschäftsführer Vertrieb und Marketing von Sonnen.

    Wenn wir in Deutschland alle elektrisch fahren, dann brauchen wir 15 bis 20 Prozent mehr Strom als heute nur für den Pkw-Verkehr.

    Peter Birkner, Honorarprofessor an der Bergischen Universität Wuppertal

    Eine spezielle Softwaretechnologie, die Blockchain, sorgt dafür, dass sich die Speicher vernetzen und das intelligente Lademanagement individuell der jeweiligen Situation im TenneT-Netz anpassen. Sämtliche Transaktionen werden bei dem Projekt nicht zentral auf einem Server, sondern auf verteilten Rechnern der beteiligten Unternehmen gespeichert. Das bietet den Vorteil, dass sich die Akteure besser untereinander austauschen und somit auch kleinteilige Prozesse umgesetzt werden können – ein wichtiger Aspekt, um die Dezentralisierung der Energiewirtschaft voranzutreiben.

    Entlastung auf allen Netzebenen

    Während sich TenneT und Sonnen auf das Übertragungsnetz konzentrieren, zeigen Wissenschaftler des Bayerischen Zentrums für Angewandte Energieforschung (ZAE Bayern), wie Speicher helfen können, Ortsnetze für die zunehmende Einspeisung von Solarstrom zu rüsten. Dazu haben sie im bayerischen Arzberg Photovoltaikmodule mit Batterien und Elektrolyseuren gekoppelt und dieses Testfeld an das Ortsnetz des Arzberg-Ortsteils Schlottenhof angeschlossen, in dem ebenfalls viele Solaranlagen mit Speichern betrieben werden. Normalerweise erreichen die Netze in solchen Solarregionen schnell ihr Limit. Nicht so in Arzberg, denn durch intelligente Steuerung der Speicher strömt mittags weniger Sonnenstrom in die Ortsleitungen, sodass gefährliche Leistungsspitzen vermieden werden. „Das Potential, den Photovoltaikstrom zukünftig gezielt bereitzustellen, ist groß“, sagt ZAE-Projektleiter Philipp Luchscheider.

    Es gibt weitere Wege, die Photovoltaik netzschonend zu nutzen. Die Firma leitec Gebäudetechnik hat in ihrem Gebäude einen Eisspeicher installiert, den sie in Kombination mit einer Wärmepumpe zur Wärme- und Kälteerzeugung nutzt. Er besteht aus einem unterirdischen Betontank, der bis zu 400.000 Liter Wasser fasst. Im Winter entzieht die Wärmepumpe Energie und sorgt so dafür, dass der Eisspeicher von innen nach außen zufriert. Im Sommer lässt sich der Eisklotz dann verwenden, um die Kollektoren in den Büros mit kaltem Wasser zu speisen und so die Raumtemperatur zu senken. Den für den Betrieb der Wärmepumpe benötigten Strom liefert in erster Linie eine Photovoltaikanlage auf dem leitec-Dach – das Netz wird somit nicht beansprucht.

    Statt grünen Strom im Norden wegzuwerfen, speichern wir ihn. Statt Großkraftwerke im Süden hochzufahren, rufen wir Solarstrom aus Speichern ab.

    Philipp Schröder, Geschäftsführer Vertrieb und Marketing von Sonnen

    WAGO-Technik hilft bei der Umsetzung von Speichervorhaben. Fernwirksteuerungen organisieren die Kommunikation zwischen den einzelnen Komponenten im Feld und der Leitwarte. Sie sammeln über digitale und analoge Signale alle Daten beispielsweise über MODBUS ein, übersetzen sie in die benötigten Kommunikationsprotokolle, wie IEC 60870-5-101/-104 oder IEC 61850, und verschicken sie über eine Datenleitung. Umgekehrt kann von der Leitwarte aus über die Controller auf die Speicher und die mit ihnen verbundenen Systeme zurückgegriffen werden. Dabei wird der Datenfluss vor unautorisierten Zugriffen geschützt – zum einen durch die Verschlüsselung der Daten mittels TLS 1.2., zum anderen durch speziell gesicherte Verbindungen, wie IPsec oder OpenVPN gemäß BDEW-White-Paper.

    Außerdem hilft WAGO, Speichervorhaben in größere, flexibel regelbare Verbünde, sogenannte virtuelle Kraftwerke, einzubinden. Die Strom-, Gas- und Wärmeversorgung wird mit der steigenden Zahl dezentralen Energieerzeuger immer komplexer; es entsteht teils ein unübersichtliches Netz mit verschiedenen Schnittstellen verschiedener Hersteller. Mit WAGO lassen sich Kommunikationsprobleme überwinden, denn seine Controller erfüllen die Anforderungen des Industriestandards VHPready (Virtual Heat and Power). Dieser sorgt wie ein Dolmetscher dafür, dass sich Leitwarte und Anlagen verstehen. Die Technik zur Integration von Speichern ins Smart Grid steht bereit.

    Text: Heiko Tautor | WAGO

    Foto: Kurt Fuchs | ZAE Bayern, Getty Images

    Die fünf Speichervarianten

    Das Stromnetz braucht Entlastung auf allen Ebenen – für jede Anforderung gibt es die passende Technik.

    • Heimspeicher
      sind nicht nur für Hausbesitzer interessant, die durch die Kombination von Photovoltaik mit Batterie den Bezug von Strom aus dem Netz reduzieren wollen. Auch die Versorger nutzen die Geräte, da sie mit ihnen neue Geschäftsmodelle entwickeln können. Werden die Batterien zusammen mit Solarmodulen verkauft und die Akkus als Schwarm zusammengeschaltet, lässt sich die Belastung der Netze senken.

    • Ortsnetzspeicher
      regeln die Spannung im Niederspannungsnetz auf einen voreingestellten Wert. Gerade wenn die Photovoltaik mittags auf Hochtouren läuft, droht ein deutlicher Spannungsanstieg. Eine Alternative zur Rückspeisung in die Mittelspannungsebene und zum Netzausbau ist der Einsatz eines lokalen Ortsnetzspeichers, der die Stromüberschüsse aufnimmt. Dadurch werden Lastspitzen gemindert, und der Netzbetreiber kann durch den Speicher Systemdienstleistungen wie Regelenergie bereitstellen.

    • Großspeicher
      werden in erster Linie frequenzgeregelt eingesetzt. Übertragungsnetzbetreiber können damit Regelenergie bereitstellen. Steigt die Netzfrequenz im europäischen Verbundnetz aufgrund von Energieüberschüssen, nehmen diese Speicher Energie auf. Sinkt die Frequenz, weil zu wenig Energie erzeugt wird, geben sie Energie ab.

    • Industriespeicher
      decken Kapazitäten von einigen Kilowattstunden bis zu mehreren Megawattstunden ab. Sie dienen vor allem der Netzstabilität und kommen unter anderem bei der Lastspitzenkappung, dem Lastmanagement und zur Kombination mit volatilen Erzeugern wie Windturbinen und steuerbaren Verbrauchern in virtuellen Kraftwerken zum Einsatz.

    • Power-to-X
      Soll Strom nicht nur kurzfristig, sondern über einen längeren Zeitraum gespeichert werden, bieten sich Power-to-Heat- oder Power-to-Gas-Anlagen an. Sie wandeln Stromüberschüsse in Wärme sowie in die speicherbaren Gase Wasserstoff und Methan um. Diese können im bestehenden Erdgasnetz gespeichert werden, das Heizungen, Kraftwerke und Tankstellen versorgt.

    WAGO in der Praxis

    Referenzen aus dem Bereich Energietechnik

    WAGO setzt als Partner und Innovationsführer viele interessante Projekte um. Erfahren Sie, was für kreative und effiziente Lösungen wir im Bereich Energietechnik ermöglichen.

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    Heizen mit Eis

    Wärmepumpen zum Heizen oder Kühlen von Gebäuden beziehen ihre Energie häufig aus Erdwärmesonden oder Erdkollektoren. Die Firma leitec® Gebäudetechnik geht einen anderen Weg: Bei ihr stellt ein Eisspeicher die benötigte Energie bereit.

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