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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

Autonome Systeme

Der vollautomatische Balanceakt

Stromnetze werden in Zukunft mehr elektrische Energie als bisher transportieren. Dafür werden intelligente Stromnetze – so genannte Smart Grids – benötigt, die völlig autonom sind und im höchsten Maße effizient arbeiten. Eine Siemens-Software kann das möglich machen.

Smart Grids, also intelligente Stromnetze mit vielen regelbaren Komponenten, spielen für die Energiewende eine wichtige Rolle. Eine Software von Siemens betreibt solche Stromnetze völlig autonom und maximal effizient.

Die Energiewende hält Stromnetzbetreiber in Atem. „Heute kann es passieren, dass ein Wind- oder Solarpark zwar fertig gebaut, aber noch nicht angeschlossen ist, weil das Stromnetz nicht genügend Kapazität hat“, erklärt Alexander Krauss. Der Ingenieur ist Senior Business Development Manager für Active Network Management (ANM). Das ist eine Software, die Siemens für die vollautomatische Steuerung von Stromnetzen entwickelt hat. Und genau in so einem autonomen System sieht Krauss eine Lösung für den geschilderten Engpass und für andere Herausforderungen, die die Energiewende mit sich bringt. „Ein Netzbetreiber hat zum Beispiel erkannt, dass er mit Hilfe von ANM erneuerbare Energieerzeuger viermal schneller und zu 40 Prozent der Kosten ans Netz bringen kann“, erzählt er.

Stromnetze werden in Zukunft mehr elektrische Energie als bisher transportieren. Diese fließt zudem nicht wie bisher vom Kraftwerk über Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetz zum Verbraucher, sondern wird auf allen Ebenen eingespeist. Erzeugung und Bedarf sind auch nicht mehr automatisch im Gleichgewicht. Ist die untere Ebene „voll“, fließt der Strom „zurück“ zur nächsthöheren Spannungsebene. Für die Netzbetreiber ist es in den Mittel- und Niederspannungsnetzen daher immer schwieriger, die vorgeschriebenen Spannungsbereiche einzuhalten. Soll dann noch ein neuer Windpark angeschlossen werden, kann es sein, dass ohne einen teuren und langwierigen Netzausbau nichts mehr geht. Es sei denn, man optimiert den Netzbetrieb und nutzt so die vorhandenen Kapazitäten effizienter. Die positive Nachricht: Je mehr Stellschrauben es im Stromnetz gibt, desto besser geht das.

Stromnetze werden in Zukunft mehr elektrische Energie als bisher transportieren.

Autonome Steuerung hebt Netzkapazitäten

Hier kommt ANM ins Spiel. Die Software erfasst den aktuellen Zustand des Stromnetzes, identifiziert Problempunkte, findet die optimale Lösung und steuert das Netz entsprechend. Grundlage des ANM ist eine sogenannte Lastflussrechnung. „Das ANM hängt an einer Datenbank, in der Netzstruktur oder Topologie sowie Daten zu allen technischen Komponenten enthalten sind, also zum Beispiel Länge und elektrischer Widerstand der Leitungen oder die Kennwerte der Transformatoren und Batteriespeicher“, erklärt Krauss. Anhand dieser Daten und unter Anwendung der Kirchhoffschen Regeln, die den Zusammenhang zwischen Strömen und Spannungen in einem elektrischen Netzwerk beschreiben, berechnet das ANM für eine gegebene Energieeinspeisung und einen gegebenen Verbrauch, wie sich die Lastflüsse auf diesem Weg über das Netz verteilen.

Mit DEMS Compact bietet die Siemens-Division Smart Grid Stadtwerken einen cloud-basierten Webservice für virtuelle Kraftwerke an.

Daraus ergibt sich beispielsweise, ob irgendwo das Spannungsband verletzt oder ein Transformator überlastet ist. In Sekundenschnelle sucht das ANM anhand der vorhandenen steuerbaren Mittel die beste Lösung und setzt diese automatisch über die Netzleittechnik in Befehle um. Es ändert zum Beispiel die Leistung eines Einspeisegenerators, regelt die Schaltstufen eines Transformators zwischen den Netzebenen oder steuert einen Batteriespeicher.

Stromnetze fit für die Zukunft machen

In künftigen Smart Grids kommt genau diese autonome Eigenschaft zum tragen. Dann lassen sich hunderte oder tausende kleiner Energieerzeuger aussteuern und unzählige Batteriespeicher und Verbraucher – zum Beispiel Kühlhallen – als Puffer regeln. Bisher getrennte Netzbereiche lassen sich bei Bedarf koppeln, um zu Zeiten, in denen im einen Teil viel Energie produziert und im anderen viel verbraucht wird, einen Ausgleich zu schaffen. Sollen neben der Spannung noch andere Netzparameter wie zum Beispiel die Blindleistung optimiert werden, kommen weitere Elemente wie Kompensationsanlagen und steuerbare Wechselrichter bei Solarparks hinzu. Bei so vielen Stellschrauben, die sich in ihrer Wirkung auch noch gegenseitig beeinflussen, lässt sich eine optimale Betriebsweise manuell nicht mehr finden und umsetzen. Mit ANM dagegen läuft das Netz völlig autonom und immer im optimalen Zustand.

Das virtuelle Kraftwerk oder DEMS (Dezentrales Energie Management System) bündelt Kleinerzeuger in einer zentralen Plattform und steuert sie wie ein einziges Kraftwerk.

Weil ANM mit allgemeinen Gesetzen für Netzflüsse rechnet, kann es neue Erzeuger oder Verbraucher – beispielsweise einen Solarpark – sofort mit in die Rechnung einbeziehen. „Das ist ähnlich wie bei einem Schachprogramm. Wenn ich eine Figur umstelle, kann es sofort mit der neuen Konstellation die besten Züge berechnen“, erklärt Krauss. Er betont, dass dieser holistische dynamische Ansatz das Siemens-System vom Wettbewerb absetzt. „Andere, regelbasierte Lösungen müssen für neue Elemente erst zusätzliche Regeln als Algorithmen für die Software schreiben.“

Zurzeit ist ANM ist in mehreren Förderprojekten im Einsatz, beispielsweise beim britischen Netzbetreiber Northern Power Grid. „Wir erwarten in den nächsten Jahren einen Anstieg beim Einsatz von Wärmepumpen, Photovoltaik oder Elektroautos im Privathaushalt. Die Frage ist, wie sich das auf unser Netz auswirkt“, erklärt dessen Vertreter Ian Lloyd. Im Projekt steuert ANM ein Niedrigspannungsnetz unter anderem über Batteriespeicher, regelbare Transformatoren, und steuerbare Erzeuger und Verbraucher. Mittlerweile gibt es auch erste kommerzielle Projekte für autonome Netze in den USA und in Großbritannien.

Egal welche Lösung einsetzt wird – ein autonomes System ist in jedem Fall die Voraussetzung, um eine derart hohe Anzahl von Komponenten immer optimal auszusteuern.

Viele Kleinerzeuger agieren zusammen als autonomes Kraftwerk

Siemens hat noch eine zweite Lösung, um viele dezentrale Erzeuger sinnvoll zu managen. Das virtuelle Kraftwerk oder DEMS (Dezentrales Energie Management System) bündelt Kleinerzeuger in einer zentralen Plattform und steuert sie wie ein einziges Kraftwerk. Das Tool bietet den Teilnehmern Zugang zum Stromhandel. Sie übermitteln ihre Verfügbarkeit und Produktionsdaten an die Plattform, die daraus Prognosen für die handelbaren Energiemengen erstellt. Ist eine der Strom verkauft, setzt DEMS dessen optimierte Erzeugung über die verschiedenen Anlagen nach konfigurierbaren Abruf-Logiken um.

„Der ganze Prozess ist voll automatisiert, weil man in Zeiträumen von einer Viertelstunde agiert. Bei einem Pool von hunderten oder tausend Anlagen ist das manuell nicht zu schaffen“, erklärt Philip Dolch, Senior Business Development Manager für virtuelle Kraftwerke. Weil die vielen Erzeuger mit DEMS wie ein autonom laufendes Kraftwerk agieren, vereinfacht sich auch das Netzmanagement. „Gerade hatten wir eine Anfrage von einem Netzbetreiber, der die Anlagen, die bereits in virtuellen Kraftwerken zusammengeschlossen sind, für die Netzstabilisierung nutzen möchte“, erzählt Dolch. „In Smart Grids der Zukunft ergänzen sich ANM und DEMS hervorragend.“ Egal welche Lösung einsetzt wird – ein autonomes System ist in jedem Fall die Voraussetzung, um eine derart hohe Anzahl von Komponenten immer optimal auszusteuern.

 

Christine Rüth