Das Energiesystem der Zukunft ist digital, dezentral und selbständig

May 03, 2023

Nachhaltigkeit -Fünf niederländische Universitäten und das Zentrum für Mathematik und Informatik (CWI) bündeln ihre Kräfte, um unser Energiesystem zukunftssicher zu machen.

Die Niederlande stehen vor der gewaltigen Aufgabe, das Land künftig vollständig mit grüner Energie zu betreiben. Dies erfordert ein grundlegend neues, flexibles und zuverlässiges Energiesystem. Fünf niederländische Universitäten arbeiten derzeit zusammen mit dem Forschungsinstitut CWI an einem Vorschlag, um dies zu erreichen. „Wir können nicht länger warten. Machen wir unser Energiesystem fit für die nächsten hundert Jahre“, sagt Peter Palensky, Professor für Intelligente Stromnetze an der TU Delft.

Um es ganz klar auszudrücken: Die Zeit wird knapp. Das Stromnetz in den Niederlanden und im übrigen Europa muss grundlegend erneuert werden, und zwar schnell. Der Strombedarf wird sich bis 2030 im Vergleich zu 2019 nahezu verdoppeln. Nicht nur die Erzeugungskapazität muss deutlich erhöht werden. Auch große Mengen Ökostrom zuverlässig an den richtigen Ort zu bringen, ist eine große Herausforderung. Es muss auch gespeichert werden.

Kürzlich unternahm TenneT einen ersten Versuch, das Netz der Zukunft abzubilden, und übergab den Vorschlag für ein Zielnetz an den Minister für Klima und Energie, Rob Jetten. Vorgeschlagen wird ein Netz für vollständig nachhaltig erzeugte Energie mit Energieknotenpunkten, die durch sogenannte „Superhighways“ verbunden sind. „Ein toller erster Schritt“, sagt Palensky. „Aber der Plan muss verfeinert werden.“

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Aus diesem Grund haben fünf niederländische Universitäten (TU Delft, TU Eindhoven, Universität Twente, Universität Groningen und Universität Utrecht) und CWI beschlossen, einen Vorschlag mit dem Titel „Digitale Energie“ für das Gravitationsprogramm 2023 einzureichen. Mit dem Programm unterstützt die Regierung die Forschung von Forscherkonsortien in den Niederlanden mit einem Betrag von 25 Millionen Euro. Wie der Name schon sagt, steht die Digitalisierung des Stromnetzes im Mittelpunkt des Vorschlags. Das zukünftige Netz wird ein dezentrales Stromsystem sein, in dem Energieknotenpunkte durch Superhighways mit unterschiedlichsten Technologien miteinander verbunden sind.

Zunächst baut Palensky einen digitalen Zwilling, um das zukünftige Netz im Detail zu untersuchen. „Es ist eine numerische Nachbildung von etwas Neuem. In unserem Fall des zukünftigen Energiesystems“, erklärt Palensky. „Auf diese Weise kann man Szenarien testen und Experimente durchführen, ohne jemanden in der realen Welt zu verletzen.“

Viele Fragen bleiben offen, wenn es um das Netz der Zukunft geht. Fragen wie: Wie halten wir alles stabil, wenn bald Millionen von Solarpaneelen installiert werden? Und wie stellen wir sicher, dass jeder sein Elektroauto laden kann? „Das Magische am digitalen Zwilling ist, dass er Menschen zusammenbringt. Technologieanbieter, Stromkonzerne, Politiker: Sie alle können sich an einen Tisch setzen und selbst sehen, was in Szenario X passiert. So können wir Entscheidungen treffen.“ Wir können schneller und besser arbeiten und unsere gesetzten Ziele rechtzeitig erreichen. Und das können wir auch für andere Länder tun.“

Beim digitalen Zwilling wird vor allem an der effizienten Energieverteilung geforscht. Fällt im aktuellen Energiesystem ein Element aus oder wird es beschädigt, wirkt sich dies ähnlich einem Dominoeffekt auf das gesamte System aus und führt teilweise zum Blackout ganzer Regionen. „Wir möchten nicht, dass so etwas in Zukunft passiert. Deshalb schlagen wir ein System vor, das verteilt, selbstorganisiert und belastbar ist“, sagte Pavol Bauer, Professor für Gleichstromsysteme, Energieumwandlung und -speicherung an der Fakultät für Elektrotechnik der TU Delft Erneuerbare Energie.

Möglich wird dies durch sogenannte miteinander verbundene „Energiezellen“, in denen Peer-to-Peer-Handel möglich ist. „Innerhalb der Zellen wird Energie geteilt und unter den Nutzern verteilt. Bürger erzeugen Energie mit Solarpanels auf den Dächern ihrer Gebäude. Und wenn ein hoher Energiebedarf besteht, beispielsweise wenn Waschmaschine und Geschirrspüler gleichzeitig genutzt werden, Es ist möglich, diese Energie von Nachbarn zu beziehen. Im Grunde versuchen wir also, den Gewinn zu maximieren und die Energie in einer Zelle auszugleichen.“

Energie wird sowohl global als auch lokal gespeichert. Und der Energieaustausch wird sehr flexibel. Dies ist beispielsweise für Energieknotenpunkte mit stark nachgefragten Nutzern von Vorteil. „Denken Sie an die Industrie und Elektro-Lkw, die aufgeladen werden müssen. Hier wird ein höherer Energieverbrauch erwartet, sodass mehr Energie aus dem Netz zur Verfügung steht. Alle Energieknotenpunkte sind miteinander verbunden.“

Digitalisierung und intelligente Komponenten im Netz sind für den reibungslosen Betrieb dieses neuen Systems von entscheidender Bedeutung. Diese sorgen für eine verbesserte Zuverlässigkeit, Flexibilität und Effizienz. „Die Komponenten können beispielsweise zur vorausschauenden Wartung mit Selbstdiagnose beitragen“, so Bauer weiter. „Sie benachrichtigen den Benutzer, wenn ein Schalter ordnungsgemäß funktioniert. Man kann es mit einer Autoinspektion in der Werkstatt vergleichen. Sie verbinden das Auto mit einem Computer und können auslesen, ob es mögliche Störungen gibt.“

Darüber hinaus wird die Leistungselektronik, der Zweig der Elektrotechnik, der sich mit der Verarbeitung hoher Spannungen befasst, eine wichtige Rolle im neuen System spielen. „Leistungselektroniktechnologie wird eine entscheidende, flexible und intelligente Schnittstelle zur Verbindung erneuerbarer Energien (Wind, Sonne), Speicher und Lasten bieten und den Stromfluss steuern“, erklärt Bauer. Es wird einige der klassischen Netzkomponenten ersetzen. Bauer fährt fort: „Zum Beispiel wird ein klassischer Netzfrequenztransformator (50 Hz) durch einen Halbleitertransformator (SST) ersetzt. Dadurch kann der Transformator eine Hochfrequenzschaltung verwenden, was sowohl die Größe als auch das Gewicht im Hinblick auf die Netzfrequenz reduziert.“ Transformatoren und regelt den Stromfluss zwischen den Einspeisern und dem Netz. Und als positiver Nebeneffekt wird im Vergleich zu Niederfrequenztransformatoren nur ein Bruchteil von Kupfer und Stahl benötigt und dadurch Rohstoffe gespart.“

„Und das sind nur einige Beispiele. Das ist wirklich ein Werkzeugkasten in Monstergröße“, schließt Bauer. Auch Zukunftstechnologien, die zum jetzigen Zeitpunkt kaum vorstellbar sind, wie die drahtlose Übertragung von Energie (Induktive Energieübertragung), werden im Vorschlag beschrieben.

Das Schöne an dem vorgeschlagenen Konzept ist laut Palensky, dass es im Einklang mit unserem aktuellen Energiesystem steht. „Wir können es einfach nicht ein Jahr lang ausschalten, um ein neues zu implementieren. Wir müssen sozusagen spontan während des Marathons Herzschrittmacher-Operationen durchführen. Aber es ist durchaus möglich. Unsere Lösung ist wirtschaftlich, zuverlässig und langlebig.“ es wird wachsen und bestehende Strukturen ergänzen.“

Im Oktober wird sich zeigen, ob Digital Energy förderfähig ist. Bauer und Palensky sind hoffnungsvoll. „Jetzt ist es an der Zeit, etwas zu ändern. Wir können einfach nicht länger warten. Und wenn wir unser Energiesystem ändern, machen wir es für die nächsten 100 Jahre richtig. Mit all den großartigen Werkzeugen, die in unserem Vorschlag beschrieben werden, bin ich es.“ zuversichtlich, dass wir es schaffen können“, schließt Palensky.

„Und es ist wirklich eine einzigartige Gelegenheit für die Niederlande und Europa, wieder führend im Energiebereich zu werden“, fügt Bauer hinzu. „Lasst uns gleich loslegen.“