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Das Stromnetz muss verbessert werden, um die Ziele für saubere Energie zu erreichen

by drbyos
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In Zukunft werden unsere Fahrzeuge und Häuser in ständigem Gespräch mit dem Stromnetz stehen. Intelligente Thermostate senden Informationen darüber, wie viel Energie das Haus verbraucht oder möglicherweise verschwendet, um sich selbst zu heizen oder zu kühlen. Sonnenkollektoren geben an, wie viel Energie sie zur Verfügung haben, während Elektrofahrzeuge Informationen darüber austauschen, wann und wo sie aufgeladen werden und wie viel Saft sie für ihre Reisen benötigen. Solar- und EV-Batterien bieten möglicherweise sogar die Energie, die sie speichern, falls sie an anderer Stelle benötigt wird.

„Sie schließen es einfach an und irgendwie spricht es automatisch mit den nächsten Nachbarn“, erklärt Ben Kroposki, Direktor des National Renewable Energy Laboratory. „[It] sagt: ‘Hey, ich möchte dich nur wissen lassen, dass ich hier draußen bin. Ich kann diese Art von Dienstleistungen zurückgeben. ‘”

Dieses Gespräch ist das Rückgrat eines sogenannten „Smart Grids“. Während Amerikas alterndes Netzsystem so gebaut wurde, dass Strom in eine Richtung geleitet wird – von Kraftwerken zu Haushalten und Unternehmen -, sind intelligente Netze eine Einbahnstraße. Häuser und Gebäude senden Informationen und Strom an das Stromnetz oder an andere Häuser und Gebäude zurück. Eine Elektrofahrzeugbatterie kann beispielsweise einen Bereich mitten in einem Stromausfall mit Strom versorgen. Ein Smart Grid wartet auch auf Anweisungen des Energieversorgers, sodass es immer dann aufgeladen wird, wenn Solarenergie oder andere erneuerbare Energien am häufigsten vorkommen.

Es ist eine ziemlich einfache Idee, die seit mehr als einem Jahrzehnt verkauft wird, um die Effizienz, die Umweltbelastung und die Widerstandsfähigkeit des Energiesektors zu verbessern. Aber Stromnetze haben noch einen langen Weg vor sich, um „intelligent“ zu werden. Sie haben es geschafft, unter den Stressfaktoren des Klimawandels und extremeren Wetters spektakulär zu scheitern.

Nach Jahren der Unterinvestition besteht erneut die Hoffnung, dass die lang erwarteten Smart Grids tatsächlich zum Tragen kommen. Präsident Joe Biden kann sein Ziel nicht erreichen, dass der Energiesektor bis 2035 ohne ein intelligenteres Stromnetz zu 100 Prozent mit sauberer Energie betrieben wird. Und Netze können nicht intelligenter werden, ohne die Dringlichkeit, die Biden in die Überholung der amerikanischen Infrastruktur gesteckt hat.

“Dies ist wahrscheinlich die aufregendste Zeit in der Geschichte des Stromversorgungssystems in den letzten 50 Jahren”, sagt Kroposki.

Während Bidens Ziele für saubere Energie für die Abwehr einer tieferen Klimakrise von entscheidender Bedeutung sind, hat der Plan einige Schwachstellen in unserem derzeitigen Netzsystem aufgedeckt, die durch ein intelligentes Netz gelöst werden könnten. Für den Anfang wurden alte Netze gebaut, um einen konstanten Stromfluss aufzunehmen; Kraftwerke können die Erzeugung nach Belieben hoch- und runterfahren, um so viel Energie zu liefern, wie die Menschen benötigen.

Wind- und Sonnenenergie sind nicht so konstant. Wenn es sonnig und böig ist, kann zu viel Energie das Netz überfordern und dazu führen, dass ein Teil davon verschwendet wird. Es gibt auch nicht genug Energiespeicher – auch bekannt als Batterien -, um diese überschüssige erneuerbare Energie zu speichern, damit sie genutzt werden kann, wenn Sonnenschein und Wind nachlassen.

Ein intelligenteres Stromnetz kann den Strombedarf besser steuern, erneuerbare Energien nutzen, wenn sie am häufigsten vorkommen, und Energieknappheit verhindern. Das umkämpfte kalifornische Energieversorgungsunternehmen PG & E, das in den letzten Jahren auf allgegenwärtige Stromausfälle untersucht wurde, hat sich mit BMW zusammengetan, um ein „intelligentes Laden“ für seine Elektrofahrzeuge zu implementieren. Ihr Pilotprogramm „Smart Charging“ bietet EV-Fahrern Anreize, ihre Autos zu laden, wenn überschüssige erneuerbare Energie vorhanden ist, normalerweise mitten am Tag.

Diese Art der Koordination kann auch Stromausfälle verhindern, indem sie den Druck vom Netz nimmt, wenn die Spitzenlast besteht, normalerweise wenn die Leute abends von der Arbeit nach Hause kommen oder im Sommer ihre Klimaanlagen aufdrehen. Die Bewältigung dieser Nachfrage wird im Wettlauf um die Elektrifizierung von Häusern, Gebäuden und Transportmitteln noch wichtiger, damit diese mit erneuerbaren Energien betrieben werden können. Einige Städte haben neue Gasanschlüsse zugunsten von Elektrizität verboten, und Kalifornien hat den Verkauf von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor ab 2035 verboten. Die Stromnetze müssen sich auf all diese Änderungen einstellen. „Wir müssen das Tempo der Netzinvestitionen beschleunigen, um mit allem Schritt zu halten, was außerhalb des Netzes geschieht“, sagt Karen Wayland, CEO der GridWise Alliance, zu deren Mitgliedern Energieversorger, Technologie- und Energieunternehmen gehören.

Eine Flut neuer Elektrofahrzeuge könnte alte, knarrende Gitter überwältigen. EV-Batterien könnten jedoch zu einem Aktivposten in einem aktualisierten, intelligenteren Netz werden. Gleiches gilt für Solaranlagen in Wohngebieten mit Batterien. Sie können Notstrom liefern, wenn extremes Wetter Probleme verursacht, z. B. wenn ein Sturm ein Kraftwerk außer Betrieb setzt oder wenn eine Hitzewelle den Strombedarf für Klimaanlagen erhöht. Um dies zu tun, müssen die Versorgungsunternehmen eine Möglichkeit entwickeln, mit diesen Batterien zu kommunizieren, damit sie wissen, wann sie verfügbar sind und wie viel Kapazität sie haben.

Während eines Ausfalls kann ein Smart Grid auch feststellen, dass überschüssiger Strom verschwendet wird. Es könnte möglich gewesen sein, die Energie von leeren Wolkenkratzern in der Innenstadt von Houston auf Menschen umzuleiten, die während des Einfrierens in Texas Anfang dieses Jahres in ihren Häusern eisigen Temperaturen ausgesetzt waren. „Mit laser-skalpellartiger Präzision können Sie die Gebäudeleuchten aus- oder ausschalten… und vermeiden, dass die Stromausfälle auftreten, indem Sie in Echtzeit eine Verbindung zu diesen Ressourcen herstellen können“, so Michael Bates, globaler General Manager für Energie bei Intel , erzählte Der Rand damals.

Angesichts des Potenzials intelligenterer Netze hat die Obama-Regierung 11 Milliarden US-Dollar für die Entwicklung intelligenter Netze und die Reduzierung von Stromausfällen aufgewendet. Aber das Geld war nicht genug. Die Ausfälle haben seit 2009 zugenommen, als Biden die Investition im Rahmen eines Konjunkturpakets ankündigte.

Obamas anfängliche Investitionen haben die Einführung intelligenter Zähler in den USA vorangetrieben, mit denen die Energieversorger in regelmäßigen Abständen feststellen können, wie viel Energie ein Haushalt verbraucht. (Vorher mussten Versorgungsarbeiter kommen und die Zähler ablesen). Die Zukunft wird detaillierter sein; Die Energieversorger können möglicherweise ablesen, wie viel Energie jedes Gerät in Ihrem Haus verbraucht. Diese anfängliche Finanzierung war nur ein Tropfen auf den heißen Stein, was erforderlich ist, um das volle Potenzial intelligenter Netze auszuschöpfen. In einem Bericht des Electric Power Research Institute aus dem Jahr 2011 wurde geschätzt, dass die vollständige Modernisierung des Netzes in 20 Jahren bis zu 476 Milliarden US-Dollar kosten würde. Um die Sache zu erschweren, baute die Trump-Regierung einen von Obama ins Leben gerufenen Smart-Grid-Beirat ab und ergriff andere Maßnahmen, um die Netzmodernisierungsforschung zu knien.

In ähnlicher Weise hat Obama die USA auf Kurs gebracht, um die Treibhausgasemissionen zu senken – aber nicht mit der gleichen Dringlichkeit, die wir jetzt unter der Biden-Regierung sehen. Dies liegt zum Teil daran, dass so viel Zeit verschwendet wurde und die Klimakrise durch Katastrophen, die die Stromnetze in Mitleidenschaft ziehen, nur noch zerstörerischer und verschärft wurde. “Die Versorger und Märkte fühlten sich immer noch eher wie eine Evolution”, erzählt Bates Der Rand. “Ich denke, jeder fängt jetzt an, dies eher als Revolution zu sehen.”

Diese Revolution gewinnt an Dynamik. In der vergangenen Woche wurde ein neuer Beirat gebildet, um die Finanzierung der Modernisierung des Energiesektors voranzutreiben. Vertreter von Arbeits- und Umweltverbänden, Versorgungsunternehmen und Technologieunternehmen sind alle Teil des Rates und fordern eine Investition von 50 Milliarden US-Dollar. Dies würde dazu beitragen, sicherzustellen, dass jeder Haushalt über ein intelligentes Messgerät verfügt und Sensoren, Steuerungen und andere Geräte im gesamten Netz installiert werden, um das Angebot und die Nachfrage nach Energie zu analysieren und darauf zu reagieren. Es besteht auch Bedarf an einer besseren Kommunikationsinfrastruktur für Versorgungsunternehmen – entweder über Glasfaser- oder drahtlose Netzwerke.

Der Rat unterstützt auch Bidens umfassenden Infrastrukturplan in Höhe von 2 Billionen US-Dollar, der die Verlegung neuer Hochspannungsübertragungsleitungen vorsieht, um widerstandsfähigere Netze zu schaffen.

Abgesehen davon, dass Sie das Geld und den politischen Willen sammeln, die erforderlich sind, um die Modernisierung des Netzes wirklich ins Rollen zu bringen, müssen noch weitere technische Details herausgearbeitet werden. Eine davon ist, ein zunehmend digitales Stromversorgungssystem vor Hackern zu schützen. Die Wayland-Gruppe fordert daher eine Milliarde US-Dollar für die Finanzierung des Energieministeriums für den Einsatz von Cybersicherheitstechnologien und eine weitere Milliarde für die Aufteilung zwischen der Überwachung von Cyber-Bedrohungen und der Entwicklung von Cybersecurity-Mitarbeitern für den Energiesektor. Im April startete die Biden-Administration einen 100-Tage-Aktionsplan, um die Kontrollsysteme der Versorgungsunternehmen vor „zunehmenden Cyber-Bedrohungen“ zu schützen.

Eine Sicherheitsverletzung in einer Wasseraufbereitungsanlage in Florida im Februar ist ein Beispiel dafür, wie anfällig Versorgungsunternehmen werden können. In diesem Fall versuchten Hacker, die Konzentration einer Chemikalie im Wasser auf ein giftiges Niveau zu erhöhen. Der Versuch schlug fehl, weil eine Person, die in der Anlage arbeitete, herausfand, was vor sich ging, und die chemischen Werte wieder auf sichere Werte zurückstellte. Schutzmaßnahmen in einem intelligenteren Netz könnten laut Wayland einen ähnlichen Angriff auf den Energiesektor verhindern, indem Befehle blockiert werden, die außerhalb eines vorgegebenen Betriebsbereichs liegen.

Ein weiteres wichtiges Detail zur Fehlerbehebung wird darin bestehen, herauszufinden, wie sich Stromtarife und Energiekosten in einem Smart-Grid-System unterscheiden. Experten sagen, dass Smart Grids in Echtzeit auf sich ändernde Stromtarife reagieren sollten, um den Strombedarf besser steuern zu können.

Intelligente Netze könnten eines Tages Vorschläge machen oder sogar automatisieren, wenn Menschen ihre Autos aufladen oder ihre Häuser heizen. Aber es muss einen Anreiz bieten, die Leute dazu zu bringen, dem zuzustimmen. Die persönliche Auszahlung nutzt niedrigere Stromtarife basierend auf der Tageszeit, zu der Sie Strom kaufen.

Derzeit zahlen die meisten Wohnhäuser feste Stromtarife, die ihre Rechnungen vor plötzlichen Preisänderungen in Bezug auf Angebot und Nachfrage schützen. Andererseits können bei sogenannten Nutzungsdauertarifen (die in der Schwerindustrie häufiger vorkommen als in Wohngebäuden) die Stromtarife von Stunde zu Stunde variieren. Während des Einfrierens in Texas schockierte ein ähnliches Tarifsystem viele Hausbesitzer. Während Menschen, die sich für dieses Tarifsystem angemeldet haben, möglicherweise Geld gespart haben, indem sie das ganze Jahr über Großhandelspreise gezahlt haben, sahen einige, dass ihre Stromrechnungen aufgrund von Kraftstoffmangel um Tausende von Dollar in die Höhe geschossen sind. Die Stromtarife unter einem Smart Grid wären ähnlich variabel, daher müssen Schutzmaßnahmen getroffen werden, um sicherzustellen, dass dies unter einem neuen Tarifsystem mit Smart Grids nicht der Fall ist.

“Nun, das mag nur einmal alle neun Jahre passieren, aber wenn das passiert, ist man wirklich verärgert”, sagt Henry Lee, Direktor des Programms für Umwelt und natürliche Ressourcen an der Harvard Kennedy School. “Und du rennst zu deinen gewählten Beamten und du rennst zu den Aufsichtsbehörden, um zu sagen, dass sie mich verarschen.”

Diese Komplikation verdeutlicht die Notwendigkeit von Richtlinienänderungen zusätzlich zu den Fortschritten in Infrastruktur und Technologie. “Sie müssen einige Sicherheitsvorkehrungen treffen, um dies zu erreichen”, sagt Kroposki von NREL.

Die Dinge werden wahrscheinlich im Rennen um „klug werden“ immer komplexer. Schließlich sieht ein vollwertiges Smart Grid wirklich wie ein sich bewegendes Ziel aus. Das Reich des Möglichen wird nur mit mehr technologischen Durchbrüchen wachsen.

„Für mich ist es ein Portfolio von sich ständig weiterentwickelnden Lösungen“, sagt Luis Munuera, Energietechnologieanalyst bei der Internationalen Energieagentur. “Ich sehe weniger einen Endpunkt als einen Prozess.”

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