Zellulare Netze - Netze für Erneuerbare Energien

100% Erneuerbare Energien erfordern eine verteilte, dezentralisierte Energieerzeugung. Dies ermöglicht eine wesentlich stärker aufgegliederte "zellulare" Netzstruktur, welche die Stromversorgung zuverlässiger und sicherer machen kann.

100% Erneuerbare Energien erfordern eine verteilte, dezentralisierte Energieerzeugung. Es reicht nicht aus, die Energie dort zu generieren und zu speichern, wo dies am preiswertesten ist. Stattdessen muss jede Region mit ihrem Potential zur Energieversorgung beitragen. Jedes Dach benötigt eine Solaranlage und jedes Dorf einen Windpark. Auch Speicher sollten dezentral verteilt sein, möglichst dicht an den Einspeisepunkten um das Netz zu entlasten. Hinzu kommt, dass dezentrale Speicher durch zusätzliche Vermarktungsmöglichkeiten eher als zentrale Speicher in den Markt eintreten werden.
Diese dezentrale Erzeugung und Speicherung eröffnet neue Möglichkeiten für eine zuverlässigere Struktur des Stromnetzes als heute: Das Stromnetz kann in wesentlich kleinere Zellen als in einem traditionellen Stromnetz unterteilt werden, in ein "zellulares Netz". Da jede dieser Zellen über eine verteilte Energieerzeugung verfügt, können diese Zellen prinzipiell für sich allein arbeiten, falls dies nötig sein sollte. Beispielsweise können diese individuellen Zellen im Falle eines globalen Black-Outs "überleben".
Allerdings gibt es noch mehrere Hürden zu überwinden um diese Vorteile nutzen zu können:
1. Das derzeitige Stromnetz ist für einen solchen Fall nicht eingerichtet. Im Fall eines Black-Outs müssen alle dezentralen Energie-Einspeiser aus Sicherheitsgründen abschalten. Daher muss eine Lösung gefunden werden, die einen Weiterbetrieb ermöglicht während die Netzsicherheit gewährleistet bleibt.
2. Als weitere Herausforderung wird der Großteil Erneuerbarer Energien über elektronische Wechselrichter ins Netz eingespeist. Die Wechselrichter tragen nicht zur Netzregelung (wie Frequenz- und Spannungs-Regelung) bei, außer bei extremen Netzzuständen (siehe auch Netzregelung). Daher muss eine passende Netzregelung in allen beteiligten Wechselrichtern implementiert werden.
3. Schließlich muss das Gleichgewicht von eingespeister und verwendeter Leistung in jeder einzelnen Zelle gehalten werden können. Die erfordert eine intelligente Regelung nicht nur der Einspeisung, sondern auch von ausgewählten Lasten, welche im Falle von Leistungsmangel reduziert oder abgeschaltet werden müssen.
Das Lösen dieser Probleme für einzelne Zellen wird Fragen aufwerfen und Antworten geben, die früher oder später relevant für das gesamte Stromnetz werden. Mit Hilfe dieses "Bottom-Up-Approach" werden wir daher Schritt für Schritt lernen, ein vollständiges, globales Stromnetz mit fluktuierenden, dezentralen Erneuerbaren Energien zu betreiben.

Insbesondere interessiert in dem Zusammenhang auch, welche Rolle das Übertragungsnetz dann hat. Weitere Info und Arbeiten zum
> Übertragungsnetz

100% renewable energies requires a decentralized, distributed energy generation. It will probably not be sufficient to generate and store the energy only in those regions, where the cheapest generation is possible. Instead, each region needs to contribute on its own to the energy supply by using its potential. Every roof needs a photovoltaic system and every village its own wind park. Also storage needs to be decentralized, located at the generation sites to reduce the grid load. In addition, especially decentralized storages offer additional value propositions such that they are able to enter the market first.
Such decentralized generation and storage offers new opportunities for a reliable structure of the electrical power grid. It is proposed to subdivide the power grid into much smaller cells than in a traditional power grid. Since all of these cells contain distributed generators, they could be able to operate on their own, if necessary. In case of a global black-out, the individual cells could be able to survive.
However, several obstacles must be overcome to be able to benefit from such a structure.
1. First, the actual grid is not designed for such a case. Instead, all distributed generators must shut down in case of a black out due to safety reasons. Therefore, a solution must be found which allows such operation while maintaining grid safety.
2. As a further challenge, most of the renewable energy is fed in by electronic inverters, which do not contribute to grid control (like frequency and voltage control) at all, except in extreme cases. Therefore, a suitable grid control like virtual inertia must be applied to all related inverters.
3. And finally, the balance of power must be able to be maintained in each individual cell. This requires an intelligent control not only of the generators but also of selected loads, which need to be reduced or shut down in case of lack of energy.
Solving these issues for an individual cell will rise questions and give answers, which will appear sooner or later not only in individual cells, but will be relevant for the total power grid. Therefore, with this bottom-up approach we will learn step by step how to operate a complete global power grid with fluctuating, decentralized renewable energies.

Beiträge zum Thema von mir und meinen Studierenden

Simulationstool zur Berechnung von Lastflüssen in Deutschland mit 100% Erneuerbaren Energien:
> Zur Website

Eberhard Waffenschmidt, Momoko Kristuf, Daniel Korber,
"Zeitlich und räumlich aufgelöste Leistungsflüsse zwischen Regionen bei einer Stromversorgung mit 100% Erneuerbaren Energien in Deutschland",
4. Otti-Konferenz "Zukünftige Stromnetze für Erneuerbare Energien", Berlin, 31.1 -1.2.2017.

Eberhard.Waffenschmidt,
"Zellulare Netze mit dezentralen Erneuerbaren Energien",
Vortrag beim Kongress "Dezentrale selbstregelnde Netzintegration von Elektromobilen und anderen netzverbundenen Akteuren", organisiert von PiVo - Tanken im Smart Grid, Berlin, 19. Nov. 2015.

Moritz Falkenstein,
"Inselbetrieb eines Verteilnetzbereiches bei einem Blackout",
Masterarbeit an der TH-Köln, 13.Okt. 2015

Eberhard Waffenschmidt,
"Cellular Power Grids for a 100% Renewable Energy Supply",
5th International 100% Renewable Energy Conference (IRENEC 2015), Istanbul, Turkey, 28.-30.May 2015.

Eberhard Waffenschmidt, Ingo Stadler,
"Überlegungen zum künftigen Strommarkt",
Presentation at: "Strommarktdesign: Weichenstellung für die Zukunft erneuerbarer Energieträger“, Tagung der Bischöfliche Akademie Aachen, 15.-16. Nov. 2014.

Literatur zum Thema

Thomas Benz, Jörg Dickert, Maik Erbert, Niels Erdmann, Christopher Johae, Burkhard Katzenbach, Wolfgang Glaunsinger, Holger Müller, Peter Schegner, Jürgen Schwarz, Rainer Speh, Hanno Stagge, Markus Zdrallek,
"Der zellulare Ansatz - Grundlage einer erfolgreichen regionenübergreifende Energiewende",
ETG Task Force Grundsätzliche Auslegung neuer Netze
VDE, Energietechnische Gesellschaft (ETG), Frankfurt, Juni 2015
Beschreibt sehr ausführlich den Ansatz zellularer Netze.
> Offizielle Website des VDE: VDE-Studie zeigt, wie Stromnetzausbau reduziert werden kann
> Dowload der Studie im Internet: PDF-Dokument (1.6 MB)


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Letzte Änderung: E. Waffenschmidt, 20.Feb.2017