Smart Grid: Sichere, zuverlässige Stromversorgung für jedes Zuhause

Die größte Simulation ihrer Art, modelliert auf dem texanischen Stromnetz, kam zu dem Schluss, dass Verbraucher durch Partnerschaft mit Versorgern etwa 15 Prozent ihrer jährlichen Stromrechnungen einsparen könnten. In diesem System würden Verbraucher mit ihrem Stromversorger kooperieren, um große Energieverbraucher wie Wärmepumpen, Warmwasserbereiter und E-Auto-Ladestationen dynamisch zu steuern.

Transaktives Energiesystem: Flexibilität durch Vereinbarung

Diese Art flexibler Kontrolle über Energieangebot und -nachfragemuster nennt man „transaktiv“, weil sie auf einer Vereinbarung zwischen Verbrauchern und Versorgern beruht. Doch ein transaktives Energiesystem wurde noch nie in großem Maßstab eingesetzt, und es gibt viele Unbekannte. Deshalb beauftragte das Office of Electricity des Department of Energy die transaktiven Energieexperten des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), zu untersuchen, wie ein solches System in der Praxis funktionieren könnte.

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

„Weil Texans Netz ziemlich repräsentativ für das nationale Energiesystem ist, ermöglichte es nicht nur die Modellierung und Simulation transaktiver Konzepte, sondern lieferte auch eine zuverlässige Extrapolation der Ergebnisse und potenziellen wirtschaftlichen Auswirkungen auf das breitere US-Netz und Kunden“, sagte er.

Simulationsergebnisse: Signifikante Einsparungen

Die Simulation zeigte, dass bei Einsatz eines transaktiven Energiesystems im Electric Reliability Council of Texas (ERCOT)-Netz Spitzenlasten um 9 bis 15 Prozent reduziert würden. Diese Einsparung könnte wirtschaftliche Vorteile von bis zu 5 Milliarden Dollar jährlich allein in Texas bedeuten, oder bis zu 50 Milliarden Dollar jährlich bei landesweiter Einführung. Die Einsparung entspräche der Jahresleistung von 180 Kohlekraftwerken national.

Die meisten Menschen haben inzwischen erlebt oder miterlebt, wie Wetterextreme oder Naturkatastrophen unsere Stromverteilungssysteme Chaos stiften können. Diese Verwundbarkeit wird durch unsere Abhängigkeit von wenigen zentralisierten Stromquellen und einem Netzsystem verstärkt, das manchmal Schwierigkeiten hat, Angebot und Nachfrage abzugleichen. Zudem wird die Dekarbonisierung des Stromnetzes bedeuten, dass immer mehr Strom aus verschiedenen erneuerbaren Quellen wie Wind und Solar stammt. Daher wird das Vermeiden plötzlicher Spitzen oder Einbrüche – Brownouts oder Blackouts – oberste Priorität.

Die Studienergebnisse zeigen, dass ein transaktives Energiesystem tägliche Lastschwankungen um 20 bis 44 Prozent reduzieren würde. Und mit zunehmender Verbreitung von E-Fahrzeugen zeigte die Studie, dass intelligente Ladestationen noch größere Spitzenlastreduktionen bieten, da sie zusätzliche Flexibilität bei geplanten Ladezeiten und Stromverbrauch bieten.

„Ein Smart Grid kann als Stoßdämpfer fungieren, der Ungleichgewichte zwischen Angebot und Nachfrage ausgleicht“, sagte Reeve.

Schlüsselkomponente: Smarte Geräte und Laststeuerung

Ein Schlüssel dieser Strategie ist die Einführung smarter Geräte und Laststeuerungen. Diese dynamischen Ressourcen können lernen, Energie effizienter zu verbrauchen, indem sie ihren Verbrauch für kurze Perioden anpassen, um Strom für andere Bedürfnisse freizugeben. Statt ein E-Auto am frühen Abend zu laden, wenn Energiebedarf und -preis hoch sind, würden transaktive Energie-Teilnehmer auf eine smarte Laststeuerung vertrauen, um das Laden bis zu niedriger Nachfrage und günstigerem Strom zu verzögern. Dieser Ansatz reduziert nicht nur Stress auf die bestehende Netzinfrastruktur, sondern gibt Versorgern auch mehr Zeit, für die nächste Generation von Energiespeicher- und Verteilungsinfrastruktur zu planen, die derzeit in Entwicklung ist.

Dynamischer Marktplatz und Demonstration in Spokane

In einem transaktiven Energiesystem stehen Stromnetz, Häuser, Gewerbegebäude, Elektrogeräte und Ladestationen in ständigem Kontakt. Smarte Geräte erhalten eine Prognose der Energiepreise zu verschiedenen Tageszeiten und entwickeln eine Strategie, um Verbraucherpräferenzen zu erfüllen, während Kosten und Gesamtnachfrage gesenkt werden. Ein lokaler Einzelhandelsmarkt koordiniert die Gesamtnachfrage mit dem größeren Großhandelsmarkt. Alle Parteien verhandeln Energiebeschaffung und -verbrauch, Kosten, Timing und Lieferung in einem dynamischen Preisschema.

Dieses Konzept wird bereits in einem Demonstrationsprojekt in Spokanes Eco-District eingesetzt. Hier entwickelt und testet das Forschungsteam ein transaktives Energiekordinationsschema und einen Einzelhandelsmarktplatz. Der Ansatz umfasst auch den Einsatz von PNNL-entwickelten transaktiven Software-Agenten.

Texans primäres Stromnetz (ERCOT) bildete die Basis für PNNLs umfassendere Analyse. Forscher erstellten hochdetaillierte Modelle des ERCOT-Stromnetzes, einschließlich über 100 Stromerzeugungsquellen und 40 verschiedener Versorger im Übertragungssystem. Die Analyse umfasste auch detaillierte Darstellungen von 60.000 Haushalten und Unternehmen sowie deren energieverbrauchenden Geräten.

Forscher nutzten die Modelle für Mehrfachsimulationen unter verschiedenen Szenarien erneuerbarer Energieerzeugung. Jede Simulation demonstrierte, wie das Energiesystem auf die Hinzunahme unterschiedlicher Mengen intermittierender Quellen wie Wind und Solar reagieren würde. Das Team entwickelte auch ein detailliertes ökonomisches Modell, um die jährlichen Kostenauswirkungen für Betreiber und Kunden zu verstehen. Schließlich untersuchten sie Vorabinvestitionen für Arbeit, Software sowie Kauf und Installation smarter Geräte in Haushalten und Unternehmen.

Ein weiteres wichtiges Studienziel war die Bewertung der Auswirkungen eines neuen Mediators in der Netzökonomie. Diese Entität, ein Verteilnetzbetreiber (Distribution System Operator), wäre erforderlich, um ein Netz mit mehreren Energiequellen zu managen, die von verschiedenen Entitäten betrieben werden und zu unterschiedlichen Zeiten und Mengen Energie einspeisen. Zudem würde dieser Operator Transaktionen mit Kunden aushandeln, die flexible Laststeuerung ermöglichen.

Insgesamt zeigte die PNNL-Forschung klare Vorteile einer Neugestaltung des Stromnetzes für eine Zukunft, in der saubere erneuerbare Energie ein viel größerer Beitrag ist und mehr unserer Transportbedürfnisse von bereitstehendem Strom abhängen.