15. Mai 2018

Energiesysteme werden zunehmend vielfältiger und dezentral. Das wirkt sich darauf aus, wie Systembetreiber das Stromnetz kontrollieren und optimieren, bloggt Gabriela Hug. ©Bild: Swissgrid

Stromnetz von morgen: Brauchen wir lokale Intelligenz oder zentrale Entscheidungsgewalt?

(©GH/ETH Zukunftsblog) Das System, das uns mit Energie versorgt, verändert sich ständig. Es zu optimieren war deshalb schon immer anspruchsvoll. Nun wandelt sich die Energieversorgung weltweit von zentralisierten Infrastrukturen mit gebündelten Stromerzeugungsanlagen hin zu vielfältigen und verteilten Produktions- und Speichertechniken.


Die treibende Kraft sind die erneuerbaren Energien, um die Stromversorgung nachhaltiger zu gestalten. Doch mit steigender Wind- und Solarproduktion wird es immer schwieriger, Leistungsschwankungen auszugleichen. Wollen wir das künftige Stromnetz meistern, stellt sich die Frage: Brauchen wir lokale Intelligenz oder zentrale Entscheidungsgewalt? Die Antwort lautet: beides – und noch Einiges mehr.

Schwankungen flexibel ausbalancieren
Wasserkraftwerke und Speichergeräte jeglicher Grösse sind perfekte Ausgleichsmittel – aber auch die Konsumenten spielen entscheidend mit: Dank neuen Technologien können sie Energie nicht nur effizienter, sondern auch smarter nutzen und so am Lastverteilungsprozess teilnehmen. Die Folge sind flexible Kapazitäten vom Hochspannungs- bis hinunter zum Niederspannungsnetz. Natürlich möchten wir all diese Ressourcen möglichst optimal einsetzen, aber es werden Millionen sein. Wir müssen also Mittel und Wege finden, diese Netzelemente sowohl lokal als auch über sämtliche Systemebenen hinweg zu koordinieren.

Mehr Grips für schlaue Komponenten
Angesichts der wachsenden Menge an Akteuren, verfügbaren Daten sowie steigender Rechenleistung wird das Konzept der lokalen Intelligenz und Entscheidungsfindung immer wichtiger. Von Daten und Offline-Simulationen können wir lernen, welche Entscheidungen optimal sind. Damit lassen sich Entscheidungsfindungskurven für den Online-Betrieb kreieren, so dass kein zentraler Koordinator mehr benötigt wird.

In der Realität funktionieren heute die meisten lokalen Schemas nach demselben starren Prinzip. Ein Beispiel ist die Spannungsregelung von Photovoltaik-Anlagen in Deutschland: Um die Spannung innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten, verwendet man überall dieselben vordefinierten Kurven. Wenn das Netz nun so vielfältig wird, wie wir denken, dann sollten man die Prozesse standardisieren, wie man optimale Betriebseinstellungen findet, aber nicht die einzelnen Entscheidungsfindungskurven. Nur so lassen sich sämtliche Elemente optimal verwenden.

Komponenten sollen kommunizieren
Verteilte Optimierung hebt lokale Intelligenz auf die nächste Stufe: Dezentrale, schlaue Ressourcen tauschen untereinander Informationen aus und versuchen, sich zu koordinieren. Die besten Aktionen der einzelnen Komponenten finden sich in der Regel in einem iterativen Prozess: Sie kommunizieren miteinander und passen ihre jeweiligen Entscheidungsgrundlagen so lange an, bis sie eine optimale Einigung erzielen. Das Konzept der verteilten Optimierung ist relativ alt, hat aber jüngst in der Energieforschung wieder an Bedeutung gewonnen.

Und die altbekannte zentrale Kontrolle?
Trotz zunehmend smarteren Netzkomponenten bin ich davon überzeugt, dass die heute vorherrschende zentralisierte Entscheidungsfindung im Energiesystem auch in Zukunft ihre Berechtigung haben wird. Die Stromversorgung ist zu komplex und zu wichtig, als dass man auf ein gewisses Mass an zentralisierter Kontrolle verzichten könnte. Die Frage ist vielmehr, welche Entscheidungen lokal und welche zentral gefällt werden können, und wer mit wem interagieren soll.

Blick aufs grosse Ganze
Wer das künftige Stromnetz betreiben will, muss abgesehen von der Technik noch weitere Aspekte berücksichtigen. Elektrizität wird auf Strommärkten gehandelt, deren Regeln und Struktur das System massgeblich beeinflussen. Den Rahmen für die Märkte und Betriebsverfahren wiederum liefert die Politik.

Wir müssen deshalb das Gesamtbild im Auge behalten. Das gelingt nur, wenn wir alle Ebenen und Abhängigkeiten sorgfältig simulieren. Im Nexus-Projekt arbeiten wir interdisziplinär daran, eine Plattform zu bilden, die genau das kann. Die Simulationen dienen dazu, neue Ansätze für den Betrieb zu testen und zu bewerten. Der Schlüssel zum Erfolg liegt darin, das gesamte Puzzle zu sehen und nicht nur die einzelnen Teile. Daran arbeiten wir.

Weiterführende Informationen
1 Integrated Energy Systems Modelling Platform Nexus >>

ETH Ideas Lab >>, Weltwirtschaftsforum, Davos, 2018

Power Systems Laboratory PSL, ETH Zurich >>

Text: Gabriela Hug, ETH Zukunftsblog, ETH Zürich

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