Im Allgemeinen ist ein Mikronetz eine Reihe von dezentralen Energiesystemen (DES), die abhängig oder unabhängig von einem größeren Versorgungsnetz arbeiten und flexible lokale Energie bereitstellen, um die Zuverlässigkeit zu verbessern und gleichzeitig erneuerbare Energie zu nutzen. Das System kann so konfiguriert werden, dass es vorrangig erneuerbare Energien wie Solar- und Windenergie sowie Wasserstoff-Brennstoffzellen einsetzt und nur dann auf fossile Energie umschaltet, wenn es die Situation erfordert, wodurch die Technologie kostengünstiger wird. Überschüssiger Strom aus erneuerbaren Quellen kann für die Nutzung in Zeiten hoher Nachfrage gespeichert werden, in der Regel in Batteriespeichersystemen (BESS), die Lithium-Ionen-Batterien verwenden. Da das Mikronetz unabhängig ist, ergibt sich ein unmittelbarer Effizienzgewinn, da Übertragungsverluste des Versorgungsunternehmens vermieden werden. Einige Versorgungsunternehmen setzen Microgrids sogar als Lösung für Netzbeschränkungen ein, um die Last im größeren Stromnetz auszugleichen und die Belastung der bestehenden Infrastruktur zu verringern.

Vorteile der Nutzung von dezentralen Energieressourcen

Microgrids, bei denen dezentrale Energietechnologien zum Einsatz kommen, bieten eine Reihe von flexiblen Vorteilen, die herkömmliche Netzsysteme nicht bieten können. Sie sind zuverlässiger, effizienter und flexibler als ihre größeren Gegenstücke, liefern saubere Energiequellen mit weniger Emissionen und die Kosten für Mikronetze sind aufgrund der Nutzung erneuerbarer Energiequellen im Allgemeinen niedriger. Zentrale Netze transportieren Strom aus Kraftwerken über große Entfernungen durch Übertragungs- und Verteilungsleitungen. Die Übertragung von Strom über große Entfernungen ist ineffizient, da ein Teil des Stroms – bis zu 8 bis 15 % – während der Übertragung verloren geht.

Darüber hinaus bieten Mikronetze eine wichtige Reservestromquelle für den Fall von Stromausfällen oder Naturkatastrophen und ermöglichen eine bessere Kontrolle über die lokale Energieerzeugung. Ein Mikronetz kann sich vom zentralen Netz abkoppeln und unabhängig arbeiten. Diese „Inselbetriebsfähigkeit“ ermöglicht es ihnen, Strom zu erzeugen und die Zuverlässigkeit zu gewährleisten, wenn ein Sturm oder ein anderes Ereignis einen Ausfall des Stromnetzes verursacht.

Einer der wichtigsten Unterschiede bei der dezentralen Energieerzeugung ist die betriebliche Ausfallsicherheit, die sich aus der ausfallsicheren Inselbetriebsfähigkeit für die Notstromversorgung ergibt, die bei Netzausfällen eine zuverlässige Notstromversorgung bietet. Die von dezentralen Energieressourcen bereitgestellte Reservestromversorgung, die immer einsatzbereit ist, gewährleistet die Verfügbarkeit, wenn eine kritische Lastunterstützung erforderlich ist. Hybride Systeme nutzen Energiespeicher im Dauerbetrieb (z. B. ein Batteriespeichersystem) und dezentrale Energieressourcen, einschließlich erneuerbarer Energien, um im Gegensatz zu einem gestrandeten Aggregat (z. B. einem Dieselgenerator) sofort verfügbare Energie zu haben und „immer einsatzbereit“ zu sein. Stromaggregate sind keine Reservestromquelle, die ständig in Betrieb ist. Sie müssen eingeschaltet werden. Es besteht die Möglichkeit, dass der Generator während eines Stromausfalls ausfällt und die unternehmenskritische Anlage zum Stillstand kommt. Bei „always on“-Strom gibt es kein Einschalten; er ist immer verfügbar.

Dezentrale Energietechnologien zur Kontrolle der Energiekosten

Grundlegend für den autonomen Betrieb eines widerstandsfähigen und möglichst nahtlosen DES ist das einheitliche Konzept eines automatisierten Mikronetzmanagementsystems, das oft als „Mikronetzsteuerung“ bezeichnet wird. Das Steuerungssystem kann die Energieversorgung auf vielfältige Weise steuern. Ein fortschrittliches Steuerungssystem kann Änderungen der Strompreise im zentralen Netz in Echtzeit verfolgen. (Die Großhandelspreise für Strom schwanken ständig auf der Grundlage von Stromangebot und -nachfrage.) Wenn die Energiepreise niedrig sind, kann das Steuergerät dazu übergehen, Strom aus dem zentralen Netz zu beziehen, anstatt Energie aus einer eigenen Energiequelle, z. B. Sonnenkollektoren, zu nutzen. In diesem Fall schalten die Solarpaneele des Mikronetzes stattdessen auf Batteriespeicher um (Energiespeichersystem). Wenn die Preise steigen, kann der Microgrid-Controller dazu übergehen, seine Batterien (oder andere dezentrale Energieressourcen (DERs)) zu entladen, anstatt Strom aus dem Versorgungsnetz zu beziehen. Dies wird als Peak Shaving bezeichnet.

Der Microgrid-Controller besteht aus drei Teilen, die auf unterschiedlichen Zeitskalen arbeiten und sich auf Schaltlogik (rot), Leistungsflusssteuerung (blau) und Energieplanung (grün) konzentrieren.

Zu den wichtigen Elementen, die über die erforderlichen Fähigkeiten des Microgrid Controllers entscheiden, gehören:

Die Fähigkeit, bestehende und neue Energieressourcen zu integrieren, wenn das DES erweitert wird.

Die Fähigkeit, Dienste zur Verwaltung von Versorgungskosten (Nutzungszeitkosten und Spitzenbedarfstarife) bereitzustellen.

Die Fähigkeit, für unvorhergesehene Ereignisse rekonfiguriert zu werden und die Kontinuität der kritischen Lasten zu gewährleisten.

Die Fähigkeit zur nahtlosen Insellösung im Falle eines LoU (Loss of Use) der Versorgungsunternehmen oder bei Bedarf.

Die Fähigkeit, die Planung für den täglichen Energiebedarf (z. B. ToU-Kosten) anzupassen, wenn sich die Anforderungen an die Energiespeicherkapazität im Laufe der Zeit ändern.

Die Fähigkeit, trotz des autonomen Betriebs einen Eingriff durch qualifiziertes Personal zu ermöglichen.

Die Fähigkeit, eine Historie und Kommunikation des Systemstatus jedes DER bereitzustellen.

Die Einbeziehung von konfigurierbaren Cybersicherheitsanforderungen zum Schutz der Sicherheit des Microgrids.

Microgrid-Durchführbarkeitsstudie

Wenn Betreiber den Aufbau eines Microgrids für ihre unternehmenskritische Einrichtung in Betracht ziehen, sollten sie ihre aktuelle Einrichtung und ihren Strombedarf bewerten. Zunächst sollte die derzeitige Infrastruktur des netzgebundenen Stromversorgungssystems überprüft werden, einschließlich der vorhandenen Stromerzeugungsquellen und der verfügbaren Einspeisequellen des Versorgungsunternehmens. Der Leistungsfluss, alle Oberschwingungsprobleme, die Stromqualität und Probleme mit dem Einschwingverhalten sowie Probleme bei der Wiederherstellung des Systems sollten erfasst werden. Es sollte ein visuelles Audit des Werksgeländes mit Typen, Nennwerten und Betriebsbedingungen der elektrischen Ausrüstung erstellt werden. Die Konfiguration des Mikronetzes sollte identifiziert werden, einschließlich der Verbindungspunkte mit dem Versorgungsnetz und den bestehenden und zukünftigen dezentralen Energieressourcen (DERs) wie Sonne, Wind, Kraft-Wärme-Kopplung (KWK), Brennstoffzellen und Energiespeicher. Es sollte ein konzeptioneller Entwurf des Mikronetzes erstellt werden, einschließlich einer vorläufigen Dimensionierung und Nennung der dezentralen Energieressourcen, vorläufiger elektrischer Einzelleitungen und der Architektur des Steuersystems, einschließlich der gewünschten Betriebsarten und Schaltfolgen. Verschiedene Szenarien sollten in Bezug auf kurz- und langfristige Microgrid-Systemkonfigurationen in Betracht gezogen werden, einschließlich kritischer Lastbetriebszeiten und Schwarzstart- bzw. verlängerter Ausfallkapazitäten, die von einer Stunde bis zu einer Woche reichen.

Microgrids integrieren vorhandene und neue Energieressourcen, senken die Energiekosten, bieten nahtlose Insellösungen bei Stromausfällen oder Naturkatastrophen und garantieren die Kontinuität kritischer Lasten. Microgrids sind attraktiv, weil sie das Stromversorgungssystem unternehmenskritischer Einrichtungen robuster machen und es den Betreibern ermöglichen, Strom aus vorrangigen Energiequellen zu erzeugen, den Einsatz fossiler Brennstoffe zu verringern und die Kosten, Zuverlässigkeit und Flexibilität ihrer Energiesysteme zu kontrollieren. Bei der Entwicklung und Implementierung eines belastbaren und skalierbaren Mikronetzes sind jedoch zahlreiche Aspekte zu berücksichtigen. Ein erfahrener Partner, der Sie von der Konzeption und dem Entwurf bis hin zur Installation, Inbetriebnahme und Wartung während der gesamten Lebensdauer des Standorts unterstützt, ist unerlässlich.