Was ist ein Microgrid?

Mit der laufenden Energiewende und der weit verbreiteten Einführung erneuerbarer Energien werden Mikronetze zu einer entscheidenden Komponente moderner Energiesysteme. Sie erhöhen nicht nur die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes, sondern bieten auch wirtschaftliche und ökologische Vorteile. Dieser Artikel bietet einen umfassenden Überblick über Microgrids, der Definitionen, Merkmale, Funktionsprinzipien, Schlüsselkomponenten, Konstruktionsüberlegungen und Marktaussichten umfasst, um Ihnen ein klares Verständnis dieses aufstrebenden Energiesystems zu vermitteln.

Was ist ein Microgrid

Ein Mikronetz ist ein kleines, modulares Stromversorgungssystem, das verteilte Erzeugung, Energiespeicherung und intelligente Steuerung integriert und so eine vollständige Stromerzeugung, -verteilung und -nutzung ermöglicht.

Das US-Energieministerium (DOE) definiert ein Mikronetz als “eine Gruppe miteinander verbundener Lasten und verteilter Energieressourcen innerhalb klar definierter elektrischer Grenzen, die in Bezug auf das Netz als eine einzige steuerbare Einheit agiert und entweder im Netzverbund oder im Inselbetrieb arbeiten kann”.”

Ein Mikronetz kann in Koordination mit dem Hauptnetz oder unabhängig bei Netzausfällen betrieben werden.

Merkmale von Microgrids

Ortschaft

Microgrids versorgen in der Regel bestimmte Gebiete, z. B. Universitätsgelände, Krankenhauskomplexe, Industrieparks, Gemeinden oder Inseln. Der Strom wird in der Nähe des Verbrauchsortes erzeugt (dezentrale Erzeugung), wodurch die Übertragungsverluste über große Entfernungen erheblich reduziert werden. Laut Schneider Electric liegen die Gesamtverluste vom Kraftwerk bis zum Endverbraucher in konventionellen Netzen zwischen 8% und 15%, wohingegen Microgrids die Leitungsverluste minimieren und weniger Strom benötigen, um den gleichen Bedarf zu decken.

Unabhängigkeit

Microgrids können sich vom Hauptnetz abkoppeln und bei einem Netzausfall autonom arbeiten, was als “Inselbetrieb” bezeichnet wird. Stellen Sie sich vor, ein Baum fällt auf eine Stromleitung und verursacht einen großflächigen, manchmal grenzüberschreitenden Stromausfall; es kann Stunden oder sogar mehr als zehn Stunden dauern, bis die Stromversorgung wiederhergestellt ist. An ein Microgrid angeschlossene Einrichtungen bleiben in Betrieb, was insbesondere für Krankenhäuser, Militärbasen und andere wichtige Infrastrukturen von entscheidender Bedeutung ist.

Geheimdienst

Intelligente Mikronetze nutzen Sensoren, Automatisierungs- und Steuerungssysteme, um die Energieerzeugung, -speicherung und -verteilung zu optimieren, einen Synergieeffekt zu erzielen (1+1>2), schnell auf Laständerungen oder Versorgungsunterbrechungen zu reagieren und die Effizienz und Zuverlässigkeit des Systems zu verbessern.

Wie Microgrids funktionieren

Microgrids arbeiten in zwei Modi: netzgekoppelt und inselgebunden.

Netzgekoppelter Modus

Wenn das Hauptnetz normal funktioniert, wird das Mikronetz an das Netz angeschlossen. Es kann Strom beziehen, wenn die lokale Erzeugung nicht ausreicht, und überschüssige Solar- oder Windenergie in das Netz zurückspeisen, wenn die Erzeugung die Nachfrage übersteigt.

Insel-Modus

Wenn im Hauptnetz Anomalien auftreten, z. B. extreme Wetterbedingungen, Störungen oder Spannungsschwankungen, trennt sich das Mikronetz schnell vom Netz. Dieser Vorgang erfolgt in der Regel automatisch und ist für die Nutzer kaum wahrnehmbar.

Im Inselbetrieb verlässt sich das Microgrid vollständig auf seine eigenen Erzeugungs- und Speichersysteme. Steuersysteme priorisieren kritische Lasten, wie z. B. Operationssäle in Krankenhäusern, Telekommunikationsanlagen oder Rechenzentren, während sie nicht benötigte Lasten anpassen oder begrenzen, um eine Überlastung des Systems zu verhindern.

Warum Microgrids wichtig sind

Verbesserung der Widerstandsfähigkeit des Stromsystems

Der größte Wert von Microgrids liegt in der Verbesserung der Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes, insbesondere in abgelegenen Gebieten oder Regionen, die anfällig für Naturkatastrophen sind.

Vor 2022 waren die Bewohner der japanischen Insel Okinoerabu auf Dieselgeneratoren angewiesen, die erhebliche Treibhausgasemissionen verursachten. Taifune und andere Naturkatastrophen führten häufig zu Stromausfällen, und manchmal dauerte es Tage, bis die Stromversorgung wiederhergestellt war.

Kyocera hat sich mit zwei Städten auf der Insel Okinoerabu zusammengeschlossen, um ein Mikronetz für erneuerbare Energien aufzubauen. Das Projekt nutzt Sonnen- und Windenergie sowie Batteriespeicher, um die gesamte Insel mit Strom zu versorgen. Dadurch werden nahezu keine Kohlenstoffemissionen freigesetzt, die Abhängigkeit von Diesel verringert und die Zuverlässigkeit der Stromversorgung bei Katastrophen verbessert.

Wirtschaftlicher Nutzen

Neben der Verbesserung der Widerstandsfähigkeit können Mikronetze auch wirtschaftliche Vorteile bringen. Überschüssige saubere Energie kann an das Hauptnetz verkauft werden. In Regionen mit erheblichen Preisunterschieden zwischen Spitzen- und Schwachlastzeiten können Microgrids Energie zu niedrigen Preisen speichern und sie zu hohen Preisen abgeben oder verkaufen und so durch Arbitrage Gewinne erzielen.

Der internationale Flughafen von Pittsburgh zum Beispiel meldete $1 Millionen eingespart in seinem ersten Jahr nach der Einführung eines Solar- und Erdgas-Mikronetzes.

Vorteile für die Umwelt

Mikronetze nutzen häufig erneuerbare Energiequellen wie Sonnen- und Windenergie, wodurch Treibhausgasemissionen und Luftschadstoffe erheblich reduziert werden.

Auf der Insel Ta'u in Amerikanisch-Samoa hat ein Mikronetz eine vollständige Energiewende ermöglicht. Bei dem Projekt wurden über 5.000 Sonnenkollektoren und Energiespeichersysteme, und stellt die Insel von 100% dieselbetriebenem Strom auf fast vollständig solarbetriebenen Strom um.

Schlüsselkomponenten eines Microgrid

Ein komplettes Mikronetzsystem besteht aus Stromquellen, Energiespeichersystemen, Verteilungsinfrastruktur, Steuersystemen und dem Punkt der gemeinsamen Kopplung (PCC).

Energie-Quellen

Zu den Energiequellen gehören erneuerbare Energien wie Sonnenkollektoren, Windturbinen und Wasserkraft sowie die konventionelle dezentrale Energieerzeugung wie Diesel und Biogas.

Energiespeichersysteme

Energiespeichersysteme, wie z. B. Batterien oder Schwungräder, speichern den vom Mikronetz erzeugten überschüssigen Strom und geben ihn bei Bedarf ab.

Vertriebsinfrastruktur

Die Verteilungsinfrastruktur, einschließlich leistungselektronischer Wechselrichter, Umrichter und Übertragungsleitungen, ermöglicht die Umwandlung zwischen verschiedenen Energieformen und verbindet dezentrale Erzeugungs- und Speichergeräte mit Wechsel- oder Gleichstrombussen, um verschiedene Lastanforderungen zu erfüllen.

Kontrollsysteme

Regelungssysteme, die Lastmanagementinstrumente und Messgeräte umfassen, sind für den Ausgleich des Stromangebots, die Integration erneuerbarer Energien, die Verwaltung von Speichern und die Aufrechterhaltung der Stromqualität verantwortlich.

PCC

Der PCC ist die physische Schnittstelle zwischen dem Mikronetz und dem Hauptnetz. Während eines Netzausfalls kann der PCC das Mikronetz isolieren, so dass es unabhängig im Inselbetrieb arbeiten kann.

Überlegungen zur Gestaltung eines Microgrid

Hauptnetzanschluss

Wenn es an das Hauptnetz angeschlossen ist, kann ein Mikronetz Strom aus dem Netz beziehen, um die lokale Erzeugung zu ergänzen, oder überschüssigen Strom in das Netz zurückspeisen. Dieses Konzept bietet Flexibilität und ermöglicht die Optimierung des Energieverbrauchs auf der Grundlage des tatsächlichen Bedarfs.

Wenn das Mikronetz nur dazu gedacht ist, kritische Einrichtungen bei Ausfällen mit Notstrom zu versorgen, ist die erforderliche Erzeugungskapazität geringer als bei einem vollständig netzunabhängigen System. Die Planer müssen die geeignete Anschlussart und Systemgröße auf der Grundlage des tatsächlichen Bedarfs bestimmen.

Lastanforderungen

Der Umfang und die Kosten der Stromerzeugung und -speicherung hängen in der Regel von der Spitzenlast der Gemeinde ab - dem maximalen Strombedarf zu einem bestimmten Zeitpunkt im Jahr.

Ausgehend von der Anzahl und der Art der angeschlossenen Lasten ergibt sich die ungefähre Erzeugungskapazität, die für ein Mikronetz erforderlich ist, wie folgt:

Microgrid-Erzeugungskapazität	Mögliche Verbindungen
5 kW	1 Haus
25 kW	10 Häuser
250 kW	100 Wohnungen oder 3 Einzelhandelsgebäude
500 kW	200 Wohnungen oder 5-6 Einzelhandelsgebäude oder 1 Supermarkt oder 1 Krankenstation oder 1 kleine Schule
1,5 MW	600 Wohnungen oder 15-20 Einzelhandelsgebäude oder 4 Supermärkte oder 4-5 Kliniken oder 2-3 Schulen oder 1 Krankenhaus

Regeln für die Erzeugung von Microgrid-Lastkapazität

Verbindungsmethoden

Die Größe eines Mikronetzes hängt von der Anzahl der angeschlossenen Gebäude und Endverbraucher ab, was sich direkt auf die erforderliche Verteilungsausrüstung und Verkabelung auswirkt. Der Energieverbrauch von Gebäuden oder Endverbrauchern wirkt sich auch auf die Art und den Umfang der Erzeugung und Speicherung aus. Mehr Anschlusspunkte und höhere Einzellasten erhöhen die Baukosten und die Systemkomplexität.

Microgrid Kosten

Die Kostenstruktur von Microgrid-Projekten variiert je nach geografischer Lage, Größe und Komplexität. Historische Daten liefern jedoch Faustregeln für die Schätzung der Vorabinvestitionen für jede Systemkomponente.

Auf die Beschaffung von Ausrüstung und die Arbeitskosten entfallen etwa 75% der Gesamtkosten, was den größten Teil ausmacht.

Komponente	Beschreibung	Prozentsatz der geschätzten Gesamtkosten
Ausrüstung und Installation	Beschaffungs- und Arbeitskosten	75%
Baumanagement	Kosten für die Bauaufsicht und die Projektleitung	15%
Design und Technik	Inspektion elektrischer Anlagen; unterstützende Analysen; Planung; Dokumentation zur Einhaltung von Umweltauflagen und Genehmigungen	10%
Insgesamt		100%

Microgrid-Entwicklung und politische Subventionen

Der Markt für Microgrids expandiert schnell. Laut Guidehouse Insights wird der globale Microgrid-Markt voraussichtlich $55 Milliarden bis 2032. Dieses Wachstum wird durch mehrere Faktoren angetrieben, darunter der Bedarf an Energiesicherheit, sinkende Kosten für erneuerbare Energien und die Unterstützung durch die Politik.

In den USA stellt das DOE Grid Deployment Office bis zu $5 Milliarden an Zuschüssen zur Verfügung, um die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes gegenüber extremen Wetterbedingungen, Waldbränden und anderen Naturkatastrophen zu verbessern und so Mikronetzprojekte finanziell zu unterstützen.

In Europa finanziert die EU zur Unterstützung des europäischen Green Deal Pilot- und Demonstrationsprojekte für Niederspannungs-Gleichstrom-Mikronetze in Städten, wobei Zuschüsse von bis zu 7 Millionen Euro pro Projekt, das auf die Verbesserung der Energieeffizienz und der Widerstandsfähigkeit städtischer Energiesysteme abzielt.

Durch lokale, unabhängige und intelligente Planung schaffen Microgrids ein Gleichgewicht zwischen Widerstandsfähigkeit, wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen. Angesichts sinkender Kosten für erneuerbare Energien, zunehmender Wetterextreme und stärkerer politischer Unterstützung wird der Microgrid-Markt sein schnelles Wachstum fortsetzen. Ob für Gemeinden, Gewerbegebiete oder kritische Infrastrukturen, Microgrids werden zu unverzichtbaren Bestandteilen moderner Energiesysteme und bieten eine solide Unterstützung für Energiesicherheit und nachhaltige Entwicklung.

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