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
Eberhard Waffenschmidt,
"Swarm Grids - die Zukunft unserer Stromversorgung",
Vortrag
bei Zentrum für Nachwachsende Rohstoffe (ZNR) Haus Düsse in Kooperation
mit der Energiegenossenschaft EEG Hellweg-Sauerland, online, 13.3.2024
Wissem Nagazi,
"Aufbau digitaler Mess- und Datenübertragungstechnik in einer Ortsnetzstation in einem städtischen Verteilnetz",
Bachelorarbeit TH-Köln, extern angefertigt, 3.4.2023
Eberhard Waffenschmidt,
"Welche Netzstrukturen braucht das Energiesystem der
Zukunft und was muss dafür heute angepasst werden?",
Präsentation, SPD-Klimaforum, online, 31.Jan.2022
Eberhard Waffenschmidt, Christian Hotz, Sergej Baum, Ingo Stadler,
"Swarm Grids - Verteilte Stromnetzsteuerung für verteilte erneuerbare Energieerzeugung",
Tagung Zukünftige Stromnetze 2022, 26. - 27. Januar 2022, online
Eberhard Waffenschmidt,
"Grundlagen, Nutzen und Planung zellularer Energiesysteme - Chancen und Herausforderungen",
Online-Vortrag bei "Die Zukunft industrieller Eigenversorgung - Vom
Campus-Netz zur Energiezelle", organisiert durch Bayern Innovativ,
23.6.2021
Eberhard Waffenschmidt,
"Sind unsere Netze für die Energiewende ausreichend?",
Öffentlicher Online-Vortrag für den Solarenergie-Förderverein-Deutschland e.V. (SFV), 14.4.2021.
Simulationstool zur Berechnung von Lastflüssen in Deutschland mit 100%
Erneuerbaren Energien:
> Zur Website
Murat Gökhan Gökdemir,
"Konzept
für einen inselnetzfähigen innerstädtischen Gebäudekomplex",
Masterarbeit TH-Köln, 02. Nov. 2019
Arbeitsgruppe des VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik
e.V.,
"Zellulares
Energiesystem – Ein Beitrag zur Konkretisierung des zellularen Ansatzes mit
Handlungsempfehlungen",
Frankfurt am Main, Mai 2019
Raimund Richerzhagen,
"Aufbau
und Test eines Labor-Micro-Netz mit fernsteuerbaren Komponenten"
Bachelorarbeit TH-Köln, 31.5.2019
Richard Grün,
"Inselnetzbetrieb
eines Stadtteils",
Praxisprojekt TH-Köln, 15. März 2019.
Mustafa Duman,
"Messungen
der Schaltvorgänge beim Übergang eines Verteilnetzes in den Inselbetrieb",
Bachelorarbeit TH-Köln, 5.März 2019
Silvan Rummeny, Eberhard Waffenschmidt,
"Autarkiebetrieb
eines kommunalen Stromnetzes mit Batterie und Erneuerbaren Energien",
Zukünftige Stromnetze, Berlin, 30.-31.Jan.2019.
Eberhard Waffenschmidt,
"Zellulare
Stromnetze",
Science Slam, organisiert vom ISOE - Institut für sozial-ökologische Forschung,
Frankfurt, 20.Nov. 2018
Majid Nayeripour (Editor),
Mostafa Kheshti, Eberhard Waffenschmidt (Co-Editors),
"Smart
Microgrids",
IntechOpen Book, July 11th 2018
DOI: 10.5772/intechopen.72092
ISBN: 978-1-78923-459-6
Silvan Faßbender, Daniel Wittl, Janis Kaltschnee, Stefan Schroer, Eberhard
Waffenschmidt,
"Cellular
markets for distributed power grids: an exemplary study",
Presentation at 7th International Energy and Sustainability Conference 2018
(IESC
2018), Cologne, 17.-18. May 2018
M.J. Mokarram, M. Nayeripour, T. Niknam, E. Waffenschmidt,
"Multi
Area Economic Dispatch Considering Generation Uncertainty",
7th International Energy and Sustainability Conference 2018 (IESC
2018), Cologne, 17.-18. May 2018
Silvan Faßbender, Eberhard Waffenschmidt,
"Options
for an autarkic operation of a communal power grid using a battery and renewable
energies",
12th International Renewable Energy Storage Conference (IRES
2018), Düsseldorf, 13.-15. Mar. 2018
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
J.Bayer, T.Benz, N.Erdmann, F.Grohmann, H.Hoppe-Oehl, J.Hüttenrauch,
P.Jahnke, S.Jessenberger, G.Jost, G.Kleineidam, H.Melzer, G.Remmers,
S.Rummeny, P.Schegner, H.Schroeder, B.Uhlemeyer, E.Waffenschmidt,
M.Zdrallek,
„Zellulares Energiesystem - Ein Beitrag zur Konkretisierung des zellularen Ansatzes mit Handlungsempfehlungen“,
VDE-Fachbeitrag, Mai 2019
> Dowload der Studie im Internet: PDF-Dokument
(1.5 MB)
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.
> Dowload der Studie im Internet: PDF-Dokument
(1.6 MB) (letzter Link funktioniert nicht, wird in Kürze neu verlinkt)
> Offizielle Website des VDE: VDE-Studie
zeigt, wie Stromnetzausbau reduziert werden kann (letzter Link funktioniert nicht, wird in Kürze neu verlinkt)