Drei Ansätze zur Netzstabilisierung
Auf der ganzen Welt werden alternative Energiequellen an die Versorgungsnetze angeschlossen, um die Nachhaltigkeit zu verbessern und die Umweltauswirkungen zu verringern. Die zunehmende Zahl von Energiequellen kann jedoch die Netzverwaltung komplexer machen. Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über einige Lösungsansätze und zeigt, wie Lastbanken einen Mehrwert bieten können.
Wachsende Schmerzen
Versorgungsnetze verbinden in der Regel mehrere Kraftwerke mit Kunden in einem großen Gebiet. Um einen sicheren und ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten, müssen die Spannung, die Frequenz und andere elektrische Eigenschaften des Netzes innerhalb bestimmter Bereiche gehalten werden. Wenn diese Parameter außerhalb des Bereichs liegen, kann das Netz instabil werden und Auswirkungen haben, die die Geräte im Stromnetz beeinträchtigen oder beschädigen. Ein Effekt ... wenn die Strommenge im Netz die Nachfrage übersteigt, kann die Betriebsspannung ansteigen und einen Rückleistungseffekt erzeugen, der die Stromerzeugungsanlagen in den Kraftwerken der Versorgungsunternehmen beschädigen kann.
Man könnte zu dem Schluss kommen, dass die Versorgungsunternehmen ihre Energiezufuhr durch Drosselung oder Abschaltung von Kraftwerken reduzieren sollten. Das können sie ... bis zu einem gewissen Punkt. Kraftwerksanlagen, zu denen in der Regel große Dampfkessel und komplexe und empfindliche Dampfturbinen gehören, können jedoch möglicherweise nicht ordnungsgemäß funktionieren, wenn sie nicht ein Mindestmaß an Strom erzeugen. Darüber hinaus könnte ein Versorgungsunternehmen mit hohen Kosten und Betriebsverlusten konfrontiert werden, wenn seine Erzeugungsanlagen nicht wie vorgesehen belastet werden. Aus diesen und weiteren Gründen müssen die Versorgungsunternehmen ein Grundniveau der Stromerzeugung aufrechterhalten.
Mögliche Lösungen
Es gibt eine Vielzahl von Lösungen für die Bewältigung von Leistungsüberschüssen, die ansonsten ein Stromnetz destabilisieren würden. In den folgenden Abschnitten werden drei Ansätze kurz vorgestellt.
1. Speichern Sie die überschüssige Energie zur Verwendung bei steigendem Bedarf
Akkumulatoren
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, überschüssige Energie zu speichern, um sie zu verbrauchen, wenn die Nachfrage das Angebot übersteigt. Ein Ansatz ist die Verwendung von Speicherbatterien, die sich aufladen, wenn überschüssige Energie verfügbar ist, und sich dann entladen, wenn die Nachfrage steigt. Auf diese Weise kann in großem Umfang eine ausreichende Last erzeugt werden, um eine Rückleistungssituation zu vermeiden und Nachfragespitzen zu decken. Das vielleicht bekannteste Beispiel für eine Batteriespeicherlösung ist die Hornsdale Power Reserve in der Nähe von Adelaide in Südaustralien, bei der die von Tesla entwickelte Technologie und Ausrüstung zum Einsatz kommt.
Dieser Ansatz ist nicht ohne Einschränkungen. Eine davon ist, dass Batterien eine begrenzte Kapazität zur Speicherung von Energie haben. Dies wird dann relevant, wenn in dem vom Netz versorgten Gebiet eine längere Periode mit sonnigem, gemäßigtem Wetter auftritt. Wenn die Batterien ihre Kapazität erreicht haben, können sie den überschüssigen Strom nicht mehr aufnehmen. Ohne eine andere Möglichkeit, diese Energie aufzunehmen oder zu verbrauchen, könnten die Batterien das Netz nicht mehr stabilisieren, sobald sie vollständig aufgeladen sind.
Darüber hinaus können Konstruktions- oder Fertigungsfehler dazu führen, dass die Batterien so heiß werden, dass sie Feuer oder thermische Schäden verursachen. Im Februar 2018 meldete die U.S. Consumer Product Safety Commission mehr als 25.000 Vorfälle von Überhitzung oder Feuer bei mehr als 400 Arten von mit Lithiumbatterien betriebenen Verbrauchergeräten innerhalb von fünf Jahren. 1In jüngerer Zeit haben Lithium-Ionen-Batterien, die Autos antreiben, möglicherweise eine Rolle bei einem Brand gespielt, der zum Untergang eines Frachtschiffs führte. 2
Hydraulische Energiespeicherung
Eine weitere Möglichkeit der Energiespeicherung ist die Stromerzeugung durch Wasserkraft. Durch den Bau eines Staudamms kann ein Wasserreservoir geschaffen werden, um Wasser oberhalb eines anderen Wasserlaufs zu speichern. In Zeiten, in denen ein Stromüberschuss besteht, wird das Wasser mit Hilfe von Strom aus dem Wasserlauf in den Stausee hochgepumpt. Wenn der Strombedarf steigt, wird das gespeicherte Wasser aus dem Stausee durch die Stromerzeugungsanlagen im Damm abgelassen, um Strom zu erzeugen. Die Yards Creek Generating Station in New Jersey, USA, ist ein Beispiel dafür. Täglich wird Wasser aus dem Delaware River in zwei Stauseen gepumpt, wenn der Strombedarf niedrig ist, und dann wieder in den Fluss zurückgegeben, wenn der Strombedarf hoch ist. Die Stauseen erstrecken sich über mehr als 450 Acres (182+ Hektar), speichern mehr als 10.000 Acre-feet (~13 Millionen Kubikmeter) Wasser und können bis zu 420 Megawatt Leistung liefern.3
Bei allen Vorteilen, die Energiespeicherprojekte mit sich bringen, gibt es zahlreiche Merkmale, die berücksichtigt werden müssen. Dazu gehören:
Platzbedarf: Die Speicherung von Energie in großem Maßstab erfordert Platz, und zwar potenziell sehr viel Platz. Bei einem Batteriespeicherprojekt kann der Platzbedarf für die Ausrüstung groß sein, bei einem Speicher noch viel größer. Daher eignen sich diese Anlagen am besten außerhalb städtischer Gebiete, wo weniger Platz zur Verfügung steht und die umliegenden Gemeinden eher von möglichen Auswirkungen betroffen wären.
Endliche Kapazität zur Absorption von Last: Wenn die Batterien voll aufgeladen sind oder ein Speicher voll ist, kann die Lösung nicht mehr zur Stabilisierung des Netzes verwendet werden, wenn überschüssiger Strom verfügbar ist. Ebenso kann eine vollständig gefüllte Energiespeicherlösung keinen Strom mehr verteilen, bis wieder eine ausreichende Nachfrage besteht.
Umweltauswirkungen: Der Lebenszyklus von Energiespeicherlösungen wirkt sich auf die Umwelt aus, wenn auch auf unterschiedliche Weise. Bei Batterien beginnen die Umweltprobleme mit dem Abbau von Mineralien, erstrecken sich über die Herstellung bis hin zur Entsorgung der giftigen Substanzen, die für den Bau der Batterien verwendet werden. Bei der Wasserkraft verbraucht der Bau eines Staudamms und eines Reservoirs eine große Fläche Land, die ansonsten einen ökologischen, landwirtschaftlichen oder wirtschaftlichen Wert hätte.
Sicherheitserwägungen: Überladene Batterien können ein Sicherheitsproblem darstellen. Ereignisse wie Brände in der Unterhaltungselektronik und in Teslas eigener Batteriespeicheranlage zeigen die möglichen Folgen von Problemen in kleinen und großen Batteriespeichersystemen. Dämme, die zur Schaffung von Stauseen verwendet werden, bieten in der Regel einen zuverlässigen Service, müssen aber ordnungsgemäß geplant, gebaut, inspiziert und gewartet werden, um ein unangemessenes Risiko für die flussabwärts gelegenen Gemeinden zu vermeiden. Unabhängig von der Technologie erfordert die Speicherung großer Energiemengen an einem Ort Vorsichtsmaßnahmen zur Vermeidung von Ereignissen, die die menschliche Gesundheit, Sicherheit oder die Umwelt beeinträchtigen könnten.
2.Überschüssige Energie in Kraftstoff umwandeln
Überschüssiger Strom kann die Elektrolyse von Wasser antreiben, ein relativ einfacher Prozess, bei dem Wasserstoff- und Sauerstoffgase entstehen. Für diese Stoffe gibt es bereits industrielle Anwendungen, und Wasserstoff kann als Brennstoff verwendet werden. Sauerstoff wird auch im Gesundheitswesen verwendet. Da es sich um einen sauberer verbrennenden Brennstoff handelt, könnte eine breitere Verwendung von Wasserstoff in zukünftigen Energiestrategien eine Rolle spielen und wurde als Ersatzkraftstoff für Kraftfahrzeuge und andere Anwendungen vorgeschlagen, die derzeit auf Erdöl angewiesen sind.
Bei der Umwandlung von überschüssiger Energie in Wasserstoff gibt es einige Probleme:
- Wasserstoffproduktions- und -speicheranlagen benötigen ausreichend Platz. Die Versorgungsunternehmen können diese Anlagen möglicherweise nicht dort platzieren, wo Stromüberschüsse vorhanden sind, so dass der Bau von Übertragungsinfrastrukturen zu den Produktionsstandorten erforderlich ist.
- Die Nutzung überschüssiger Netzenergie hängt von der ordnungsgemäßen Funktion eines jeden Wasserstoffherstellungsprozesses oder einer Anlage ab. Wird die Wasserstoffproduktion unterbrochen, kann die Anlage bei Bedarf nicht zur Stabilisierung des Netzes genutzt werden.
- Die chemische Produktion liegt außerhalb der bestehenden Geschäftsinteressen und Kernkompetenzen der meisten Stromerzeuger. Die Nutzung überschüssiger Energie zur Herstellung von Wasserstoff durch Dritte könnte ein Geschäftsrisiko darstellen.
- Wasserstoff und Sauerstoff sind explosive Gase, die in der Regel unter Druck gelagert werden und daher Sicherheitsrisiken bergen, die beherrscht werden müssen.
- Über die derzeitigen Verwendungszwecke hinaus gibt es keine Infrastruktur für eine entstehende "Wasserstoffwirtschaft". Ohne zusätzliche Infrastruktur wird es möglicherweise keine Nachfrage nach dem gesamten Wasserstoff geben, der produziert werden könnte.
- Vor allem in dicht bebauten Gebieten ist es möglicherweise nicht sinnvoll, die Wasserstoffproduktion in der Nähe von Überschussstromquellen anzusiedeln.
- Wie die oben genannten Lösungen zur Energiespeicherung kann auch die Wasserstofferzeugung nicht zur Stabilisierung des Netzes eingesetzt werden, wenn die Speicher voll sind.
3. Absorbieren und Ableiten von überschüssiger Energie mithilfe von Lastbänken
Lastbänke sind elektrische Geräte, die Strom in Wärme umwandeln, die dann an die Umgebung abgegeben wird. Sie sind einfach zu installieren und zu betreiben und beruhen nicht auf der chemischen Umwandlung von Energie, wie dies bei Akkumulatoren und der Wasserstofferzeugung der Fall ist.
Geeignete Lastbänke stehen der Energiewirtschaft jetzt zur Verfügung und bieten kompakte Stellflächen sowie günstige Investitions- und Betriebskosten. Außerdem können sie unabhängig von den Wetterbedingungen betrieben werden, und da sie nie "voll" sind, können sie unbegrenzt stabilisierende Lasten liefern. Sie können fast überall dort eingesetzt werden, wo überschüssige Energie verfügbar ist.
Im Gegensatz zu den anderen untersuchten Lösungen leiten Lastbanken die überschüssige Energie ab. Während die anderen Lösungen einen Teil der überschüssigen Energie nutzen, um sie in eine andere Form umzuwandeln, absorbieren Lastbanken die gesamte überschüssige Menge. In diesem Sinne könnte die Effizienz von Netzen, die mit Lastbänken arbeiten, geringer sein als bei Netzen, die mit anderen Mitteln stabilisiert werden. Betrachtet man jedoch diese Ineffizienz im Vergleich zu den Folgen eines instabilen oder beschädigten Stromversorgungsnetzes, können Lastspeicher eine attraktive Option darstellen.
Zusammenfassung
Die zunehmende Verbreitung alternativer Energiequellen bietet Vorteile für die Nachhaltigkeit, kann aber den Betrieb eines zuverlässigen Versorgungsnetzes erschweren. Wenn neue Energiequellen zu einem Energieüberschuss führen, sind Lösungen erforderlich, um den ordnungsgemäßen und zuverlässigen Betrieb des Versorgungsnetzes zu gewährleisten. Die Speicherung von Energie in Batterien und Wasserspeichern kann dazu beitragen, die Netze zu stabilisieren, indem Energie aufgenommen wird, wenn ein Überangebot vorhanden ist, und die gespeicherte Energie dann wieder in das Netz abgegeben wird, wenn der Strombedarf größer ist. Ebenso kann die Energie zur Herstellung von Treibstoff für die spätere Nutzung verwendet werden. Diese Art von Lösungen benötigen Platz, werfen Sicherheits- und Logistikprobleme auf und bieten nur eine begrenzte Kapazität für die Energiespeicherung. Im Gegensatz dazu bieten Lastbänke eine kompakte und zuverlässige Stabilisierungslösung für die Bewältigung von Stromüberschüssen und sind bereits jetzt verfügbar.
1UnitedStates Consumer Product Safety Commission. Status Report on High Energy Density Batteries Project. 12. Februar 2018. S.4. https://www.cpsc.gov/s3fs-public/High_Energy_Density_Batteries_Status_Report_2_12_18.pdf?UksG80UJqGY0q4pfVBkbCuUQ5sNHqtwO, Zugriff am 11. März 2020.
2QuartzMedia, Inc. Lithium-Ionen-Batterien heizen das Feuer auf einem brennenden Frachtschiff voller Porsches an. Aurora Almendral. 21. Februar 2022. https://qz.com/2130711/electric-vehicles-make-it-harder-to-quell-fire-on-felicity-ace-cargo-ship/, abgerufen am 14. März 2020.
3NationalAssociation of Utility Regulatory Commissioners. Nexus zwischen Wasser und Elektrizität: Ein Besuch im Yards Creek Pumpspeicherkraftwerk. Uprenda Chivukula. Undatiert. https://www.naruc.org/bulletin/the-bulletin-03-08-2018/nexus-between-water-and-electricity/, abgerufen am 11. März 2020.
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