Smart Grid für stabile, zuverlässige Stromversorgung

Die bisher größte Simulation dieser Art nach dem Vorbild des texanischen Stromnetzes kam zu dem Schluss, dass Verbraucher durch Partnerschaften mit Versorgungsunternehmen etwa 15 Prozent ihrer jährlichen Stromrechnung einsparen können. In diesem System würden sich die Verbraucher mit ihrem Stromversorger abstimmen, um große Energieverbraucher wie Wärmepumpen, Warmwasserbereiter und Ladestationen für Elektrofahrzeuge dynamisch zu steuern.

Diese Art der flexiblen Kontrolle über Energieversorgungs- und Verbrauchsmuster wird als „transaktiv“ bezeichnet, da sie auf einer Vereinbarung zwischen Verbrauchern und Versorgungsunternehmen beruht. Aber ein transaktives Energiesystem wurde noch nie in großem Maßstab eingesetzt, und es gibt viele Unbekannte. Aus diesem Grund forderte das Office of Electricity des Energieministeriums die transaktiven Energieexperten des Pacific Northwest National Laboratory auf, zu untersuchen, wie ein solches System in der Praxis funktionieren könnte.

Hayden Reeve, ein PNNL-Experte für transaktive Energie und technischer Berater, leitete ein Team aus Ingenieuren, Ökonomen und Programmierern, das die Studie konzipierte und durchführte.

„Da das Stromnetz von Texas ziemlich repräsentativ für das Energiesystem des Landes ist, ermöglichte es nicht nur die Modellierung und Simulation von transaktiven Konzepten, sondern lieferte auch eine zuverlässige Extrapolation der Ergebnisse und potenziellen wirtschaftlichen Auswirkungen auf das breitere US-amerikanische Stromnetz und die Kunden“, sagte er.

Die Simulation zeigte, dass durch den Einsatz eines transaktiven Energiesystems im Netz des Electric Reliability Council of Texas (ERCOT) Spitzenlasten um 9 bis 15 Prozent reduziert würden. Diese Einsparungen könnten allein in Texas zu wirtschaftlichen Vorteilen von bis zu 5 Milliarden US-Dollar pro Jahr führen, oder bis zu 50 Milliarden US-Dollar jährlich, wenn sie auf dem gesamten Kontinent der Vereinigten Staaten eingesetzt würden. Die Einsparungen würden der Jahresleistung von 180 Kohlekraftwerken landesweit entsprechen.

Mittlerweile haben die meisten Menschen erlebt oder miterlebt, wie Wetterextreme oder Naturkatastrophen unsere Stromverteilungssysteme verwüsten können. Diese Anfälligkeit wird durch unsere Abhängigkeit von einigen wenigen zentralisierten Energiequellen und einem Netzsystem, das manchmal Schwierigkeiten hat, Angebot und Nachfrage in Einklang zu bringen, noch verstärkt. Darüber hinaus wird die Dekarbonisierung des Stromnetzes bedeuten, dass immer mehr Strom aus verschiedenen Arten erneuerbarer Energiequellen wie Wind und Sonne stammt. Daher ist es von größter Bedeutung, plötzliche Spitzen oder Einbrüche – Brown oder Blackouts – zu vermeiden.

Die Studienergebnisse deuten darauf hin, dass ein transaktives Energiesystem die täglichen Lastschwankungen um 20 bis 44 Prozent reduzieren würde. Und da immer mehr Elektrofahrzeuge zum Einsatz kommen, zeigte die Studie, dass intelligente Ladestationen für Fahrzeuge noch größere Reduzierungen der elektrischen Spitzenlast ermöglichen, da sie zusätzliche Flexibilität bei geplanten Ladezeiten und Stromverbrauch bieten.

„Ein intelligentes Stromnetz kann als Stoßdämpfer wirken und Ungleichgewichte zwischen Angebot und Nachfrage ausgleichen“, sagte Reeve.

Eine Schlüsselkomponente dieser Strategie ist die Einführung intelligenter Geräte und Laststeuerungen. Diese dynamischen Ressourcen können lernen, Energie effizienter zu verbrauchen, indem sie ihre Nutzung für kurze Zeiträume anpassen, um Strom für andere Zwecke freizugeben. Anstatt beispielsweise ein Elektrofahrzeug am frühen Abend aufzuladen, wenn die Energienachfrage und der Energiepreis hoch sind, würden sich transaktive Energieteilnehmer auf eine intelligente Laststeuerung verlassen, um das Laden ihres Fahrzeugs zu verzögern, bis die Nachfrage niedrig und der Strom billiger ist. Dieser Ansatz reduziert nicht nur die Belastung der bestehenden Netzinfrastruktur, sondern gibt den Versorgungsunternehmen auch mehr Zeit für die Planung der Energiespeicher- und -verteilungsinfrastruktur der nächsten Generation, die sich derzeit in der Entwicklung befindet.

In einem transaktiven Energiesystem stehen Stromnetz, Wohnungen, Gewerbegebäude, Elektrogeräte und Ladestationen in ständigem Kontakt. Intelligente Geräte erhalten eine Prognose der Energiepreise zu verschiedenen Tageszeiten und entwickeln eine Strategie, um die Präferenzen der Verbraucher zu erfüllen und gleichzeitig die Kosten und den Gesamtstrombedarf zu senken. Ein lokaler Einzelhandelsmarkt wiederum koordiniert die Gesamtnachfrage mit dem größeren Großhandelsmarkt. Alle Parteien verhandeln Energiebeschaffung und -verbrauch, Kosten, Zeitplan und Lieferung in einem dynamischen Preisschema.

Dieses Konzept wird bereits in einem Demonstrationsprojekt im Eco-District der Stadt Spokane eingesetzt. Hier entwickelt und testet das Forschungsteam ein transaktives Energiekoordinationssystem und einen Einzelhandelsmarktplatz. Der Ansatz umfasst auch die Verwendung von PNNL-entwickelten transaktiven Software-Agenten.

Das primäre Stromnetz von Texas (ERCOT) bildete die Grundlage für die umfassendere Analyse von PNNL. Die Forscher erstellten hochdetaillierte Modelle, die das ERCOT-Stromnetz darstellen, darunter mehr als 100 Stromerzeugungsquellen und 40 verschiedene Versorgungsunternehmen, die im Übertragungssystem betrieben werden. Die Analyse umfasste auch detaillierte Darstellungen von 60.000 Haushalten und Unternehmen sowie deren Energieverbrauchsgeräten.

Die Forscher verwendeten die Modelle, um mehrere Simulationen unter verschiedenen Szenarien zur Erzeugung erneuerbarer Energien durchzuführen. Jede Simulation demonstrierte, wie das Energiesystem auf das Hinzufügen unterschiedlicher Mengen intermittierender Energiequellen wie Wind und Sonne reagieren würde. Das Forschungsteam entwickelte auch ein detailliertes Wirtschaftsmodell, um die jährlichen Kostenauswirkungen für Betreiber und Kunden zu verstehen. Abschließend untersuchten sie die Vorabkosten im Zusammenhang mit Arbeits- und Softwarekosten sowie die Kosten für den Kauf und die Installation intelligenter Geräte in Privathaushalten und Unternehmen.

Ein weiteres wichtiges Ziel der Studie war die Bewertung der Wirkung eines neuartigen Mediators in der Grid-Ökonomie. Diese Einheit, die als Verteilnetzbetreiber bezeichnet wird, müsste ein Netz verwalten, das mehrere Energiequellen besitzt und von verschiedenen Einheiten betrieben wird, die alle zu unterschiedlichen Zeiten und in unterschiedlichen Mengen Energie in das Netz einspeisen. Darüber hinaus würde dieser Verteilnetzbetreiber die Transaktionen mit Kunden aushandeln, die eine flexible Laststeuerung ermöglichen.

Insgesamt zeigte die PNNL-Forschung klare Vorteile einer Neukonzeption, wie das Stromnetz einer Zukunft gerecht werden könnte, in der saubere erneuerbare Energien einen viel größeren Beitrag leisten und ein größerer Teil unseres Transportbedarfs vom einfachen Zugang zu Elektrizität abhängt.