Quelle: KEYMILE

Energietransport und -verbrauch intelligenter steuern

| 24. Juni 2015 | Kommentar

Bei einem intelligenten Stromnetz geht es technisch betrachtet um eine weitgehende Automatisierung der Verteil- und Zugangsebene in den Netzen der Energieversorger. In einer ganzheitlichen Sicht sind dabei alle Aspekte zu integrieren: von der Erzeugung über die Speicherung und Verteilung, dem Netzmanagement auf allen Ebenen bis hin zum Verbrauch.

Text: Thorsten Scholz, Managing Director der HYTEC Gerätebau GmbH in Mannheim, einem KEYMILE-Unternehmen

Smart Grids gehört die Zukunft. Das ist schon seit einiger Zeit klar. Sie sollen in der Lage sein, einen steigenden Bedarf zu erfüllen, die Energieeffizienz zu erhöhen und kohlendioxidarme Energiequellen aus verteilten Standorten an das Stromnetz anzubinden. Seit vielen Jahren werden die Systeme zur Stromerzeugung daher weiterentwickelt. Auch wenn erneuerbare Energien immer stärker an Bedeutung gewinnen, liefern heute immer noch Kernenergie, Braunkohle und Laufwasserkraftwerke als Primärenergieträger die Grundlast beim Energiebedarf. Die Grundlast ist eine der zentralen Kenngrössen bei der Sicherung der Energieversorgung.

Als Grundlast wird die Netzbelastung bezeichnet, die im Laufe eines Tages nicht unterschritten wird. Wobei diese jahreszeitlichen und regionalen Schwankungen unterliegt, das heisst sie ist in einer Millionenstadt grösser als in einem strukturschwachen Landkreis. Aufgrund betriebswirtschaftlicher und technischer Kriterien sollen Kraftwerke zur Absicherung der Grundversorgung möglichst nahe an der Volllastgrenze arbeiten. Aus dieser Anforderung heraus zielen die Betreiber darauf ab, den Grundlastbedarf langfristig abzuschätzen.

Reicht an Werktagen um die Mittags- und zur Abendzeit die Grundlast nicht aus, müssen die Versorger zur Deckung des Energiebedarfs zusätzliche Leistungen durch Mittel- und Spitzenlastkraftwerke aktivieren. Typische Lieferanten im Mittellastbereich sind Steinkohlekraftwerke und im Spitzenlastbereich Gasturbinenkraftwerke. Mittellastkraftwerke können ihre Leistung entsprechend einem geplanten Energiebedarf variieren und lassen sich innerhalb eines bestimmten Leistungsspektrums auch regeln. Um kurzfristige Steigerungen des Strombedarfs abzudecken, gibt es die Spitzenlastkraftwerke wie beispielsweise Gasturbinen- und Pumpspeicherkraftwerke.

Die aktive Netzregelung umfasst bislang Grund-, Mittel- und Spitzenlastkraftwerke. Kommt es zu Schwankungen in der Stromerzeugung, müssen Spitzenlastkraftwerke den Bedarf ausgleichen. Die regenerative Stromerzeugung aus Solar- und Windkraftanlagen sowie der Mehrzahl der Blockheizkraftwerke dagegen ist bislang noch nicht in ein übergreifendes Netzmanagement integriert. Per Gesetz wird der regenerativ erzeugte Strom in das öffentliche Stromnetz eingespeist (Vorrangeinspeisung). Solar- und Windkraftanlagen verdrängen damit Mittellast-, aber auch Spitzenlastkraftwerke. Gerade unter dem Gesichtspunkt einer besseren Planbarkeit und Steuerung ist es notwendig, auch die regenerative Stromerzeugung in ein ganzheitliches Versorgungsmanagement einzubeziehen, das sich an Zielgrössen wie Kapazität, Zuverlässigkeit, Effizienz und Nachhaltigkeit orientiert.

Von der zentralen zur dezentralen Stromerzeugung
Lange Zeit dominierte in den Stromnetzen die zentrale Energieerzeugung. Seit einiger Zeit aber gibt es einen Trend hin zu dezentralen Erzeugungsanlagen. Dadurch entstehen deutlich komplexere Strukturen bezüglich Transport und Verteilung, Lastmanagement und Netzstabilität. Neue Herausforderungen ergeben sich auch dadurch, dass dezentrale Erzeuger (Wind, Solar) – im Unterschied zu mittleren und grösseren Anlagen – direkt in das Niederspannungsnetz oder das Mittelspannungsnetz einspeisen. Eines der Ziele intelligenter Stromnetze (Smart Grids) ist es, eine bessere Steuerung zwischen Grundlast, Mittellast und Spitzenlast zu erzielen.

Ring

Automatische Redundanz: Jede Station ist über zwei Wege erreichbar.

Redundanz

Zentrale Kopplung der Geräte durch Back-to-Back-Schaltung von Ethernet-Ports. Durch zusätzliche Übertragungsstrecken können Verbindungen zwischen Standorten redundant ausgeführt werden.

Im Idealfall wird so viel Strom eingespeist wie gerade benötigt. Modellmässig muss daher abgeschätzt werden, zu welchem Zeitpunkt wo wie viel Energie bereitgestellt werden muss – einschliesslich der Möglichkeit, auf Lastspitzen oder einen geringeren Bedarf reagieren zu können. Dies war so lange kein Problem, als wenige grosse Kraftwerke die Energie erzeugten. Mit einer steigenden Anzahl von dezentralen Anlagen, steigen aber auch die Anforderungen an das Netzmanagement.

Aktuell bereitet dies bei den regenerativen Energiequellen noch Probleme, denn der Strom, den Windkraftanlagen und Photovoltaikanlagen erzeugen, wird bekanntermassen vorrangig ins Netz eingespeist. Wird zu viel erzeugt, kann der Strom aus technischen Gründen gegenwärtig nicht in grossen Mengen gespeichert und erst zu einem späteren Zeitpunkt bei Bedarf ins Netz eingespeist werden.

LineRunner IS-3400

Die Geräte aus der LineRunner IS-3400-Familie kommen beispielsweise zur Übertragung anwendungskritischer Daten in Energienetzen, der Remote-Überwachung und -Steuerung sowie bei der Einspei-sung erneuerbarer Energien in Smart Grids zum Einsatz.

Intelligente Stromnetze aus Kommunikationssicht
Die Bereitstellung der Energie ist ein Aspekt, ein anderer ist die Steuerung der Datenkommunikation in den Energienetzen. Dazu ist es notwendig, Statusinformationen und Lastflussdaten aus den einzelnen Netzelementen (Erzeugungsanlagen, Transformatorenstationen, Industrieanlagen und Privathaushalten) abzurufen sowie zu verarbeiten und im Bedarfsfall auch steuernd eingreifen zu können. Insbesondere im Mittelspannungsnetz, in dem die elektrische Energie an die regionalen Ortsnetzstationen oder grössere Einrichtungen wie zum Beispiel Industrieanlagen verteilt wird, benötigen die Betreiber anwendungskritischer Netze Möglichkeiten zur Steuerung der Einspeisung erneuerbarer Energien und zur Remote-Überwachung in Smart Grids.

Zur Fernwirküberwachung und -steuerung kommen beispielsweise Geräte der LineRunner IS-3400-Familie von KEYMILE zum Einsatz. Sie wurden als Multilayer-Switche speziell für die Aufgaben der Prozessdaten-Kommunikation entwickelt und ermöglichen eine Übertragung über Kupferleitungen oder Glasfaser. Die LineRunner IS-3400-Geräte unter-stützen sowohl TCP/IP-basierte Protokolle wie IEC 60870-5-104 als auch etablierte, RS-232-basierte serielle Protokolle wie IEC 60870-5-101. Beide lassen sich gleichzeitig im selben Netz übertragen. Der Vorteil: Im Mischbetrieb können bestehende Fernwirknetze schrittweise mit zukunftssicherer IP-Technik erweitert und modernisiert werden.

Vom Smart Grid zum Smart Meter
In einer Ende-zu-Ende-Beziehung integrieren intelligente Stromnetze zusätzlich zu den Energielieferanten auch die Verbraucher. Denn Energieversorger und -verteiler stehen vor der Herausforderung, das auf zunehmend vielfältige Weise erzeugte Angebot an Energie mit dem Bedarf der Wirtschaft und der Privathaushalte in Einklang zu bringen. Um Angebot und Nachfrage von Energie zumindest regional, besser aber noch in einem grösseren Massstab überwachen und steuern zu können, müssen mehr und bessere Informationen zum Verbraucherverhalten generiert und ausgetauscht werden. Eine der Möglichkeiten besteht darin, Privathaushalte und Unternehmen mit bidirektionalen kommunikationsfähigen Stromzählern (Smart Meter) auszurüsten. Smart Meter messen den aktuellen Verbrauch und leiten die Informationen an den Energieversorger weiter. Smart Meter werden damit zu einem wichtigen Baustein im Rahmen einer Smart-Grid-Infrastruktur. Sie soll einen entscheidenden Beitrag zu einer höheren Effizienz bei der Energieverteilung und dem Energieverbrauch leisten.

Mischbetrieb

Die Unterstützung nach IEC 60870-5-104 ermöglicht eine direkte Überwachung von Geräten aus einer Leitstelle.

Tags: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

Kategorie: Gebäudeleittechnik, Themen

Kommentar erfassen