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Dank Innovation: Energieversorgung intelligent & umweltfreundlich

21. Juni 2016, 11:41 Uhr   |  Von Markus Staeblein, General Manager, Smart Grid, Texas Instruments und Kripa Venkat, Industrial Systems & Solutions Manager, Smart Grid, Texas Instruments

Dank Innovation: Energieversorgung intelligent & umweltfreundlich
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Fortschrittliche Elektronik ermöglicht im intelligenten Energieversorgungsnetz die Nutzung erneuerbarer Energien mit dem Ziel von mehr Effizienz und Umweltfreundlichkeit.

Eine Lösung für das Problem, mit fluktuierenden, volatilen erneuerbaren Energien eine stabile Energieversorgung herzustellen, liegt darin, die übergreifende Energieversorgungs-Infrastruktur intelligenter zu machen.

Das so genannte Smart Grid soll mit Mess-, Kommunikations- und Steuerungsfunktionen ausgestattet werden, und zwar auf jeder einzelnen Ebene vom Kraftwerk bis zum angeschlossenen Gerät. Sämtliche Komponenten des Netzes, also jeder Generator, jedes Umspannwerk, jede Schaltstelle, jeder Transformator, jeder Zähler, jede Maschine und jede Übertragungsleitung sowie alles, was angeschlossen werden kann, lässt sich potenziell messen und überwachen. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass die Energie effektiv und ohne Verluste dorthin geliefert wird, wo man sie benötigt, Netzüberlastungen können minimiert werden.

Das Energieversorgungsnetz muss künftig den bidirektionalen Fluss von Elektrizität unterstützen, da die Kunden manchmal Energie verbrauchen und zu anderen Zeiten ihre eigene Energie erzeugen. Das Netz muss deshalb Energieangebot und -nachfrage in Echtzeit koordinieren können, wobei es sich auf die verschiedenen Arten der dezentralen Energieerzeugung und neue Möglichkeiten der Energiespeicherung stützen kann. Wegen der vermehrten Erzeugung von Elektrizität aus erneuerbaren Quellen werden sich die EVUs außerdem auf Übertragungsleitungen stützen müssen, die elektrische Energie über große Entfernungen transportieren und unter den verschiedenen Regionen verteilen.

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Bild 1: Das Smart Grid der Zukunft ist durch dezentrale Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen gekennzeichnet

Bild 1 zeigt die Topologie des künftigen Smart Grids. Neben dem von oben nach unten gerichteten Fluss der Elektrizität aus den traditionellen Großkraftwerken gibt es jetzt ein Energieangebot aus großen Solar- und Windparks sowie einen bidirektionalen Energiefluss von produzierenden Kunden unterschiedlicher Größe. Nur ein intelligentes Netz ist in der Lage, eine derart weit verteilte Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen und die Energie aus den konventionellen Großkraftwerken zu integrieren und gleichzeitig alle angeschlossenen Kunden effektiv mit Strom zu versorgen. Die zum Erreichen der Netzparität erforderlichen Skaleneffekte lassen sich nur dann umsetzen, wenn – wie im Bild dargestellt – in großem Maßstab PV- und Windkraftanlagen für die dezentrale Energieerzeugung herangezogen werden. Dies aber ist nur mit einem intelligenten Energieversorgungsnetz, dem Smart Grid, möglich.

Die Bedeutung des Smart Grid in den kommenden Jahren kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden. Einige Schätzungen besagen, dass die Welt nicht weniger als 40 % der erzeugten Energie vergeudet. Intelligente, effiziente Netze können einen großen Teil dieser Verluste vermeiden. Mit einem allmählichen Umstieg auf die Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen, in weiten Teilen ermöglicht durch erneuerbare Energien und Netzparität, können wir die Vergeudung und die Schäden für die Umwelt noch weiter eindämmen.

Intelligente Elektronik
für das dezentralisierte Smart Grid

Die Intelligenz, die das Energieversorgungsnetz ’smart‘ macht, basiert auf fortschrittlicher Elektronik, die erfasst, überwacht und misst und Kommunikations- und Steuerungsfunktionen zur Verfügung stellt. Diese Techniken bilden die Grundlage für eine ganze Palette von Equipment in der Netz-Infrastruktur wie zum Beispiel Schutzrelais, Netzqualitäts-Überwacher, Schutzschalter und Automatisierungssys-teme für Umspannwerke. Neben der Infrastruktur gibt es Wechselrichter für Solar- und Windkraftanlagen, Smart Meter, also intelligente Stromzähler bei den Endverbrauchern sowie eine potenziell grenzenlose Zahl von Schaltern, Sensoren und anderen Überwachungsinstan-zen, die umgebungsbezogene Informationen in das Stromversorgungsnetz einspeisen.

Die spezifischen Anforderungen für diese Anwendungen variieren erheblich und richten sich nach der Nutzung des Equipments, Industrienormen und proprietären Standards sowie den Vorschriften der verschiedenen Staaten. Das Design der Schaltungen, die diese Funktionen intelligent machen, kann also höchst anspruchsvoll sein und die Designer zur Suche nach integrierten Schaltungen (ICs) zwingen, die flexibel sind und die Kosten niedrig halten.

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2. Lösungen für das Smart-Grid-Design

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