Unterstützung der Abkehr von fossilen Brennstoffen mit der Leistungsfähigkeit elektronischer Komponenten
Mikronetze: Förderung der lokalen Produktion für den lokalen Verbrauch erneuerbarer Energien
Die effektive Nutzung erneuerbarer Energien wie Sonnen- und Windenergie ist ein wesentliches Element, um Kohlenstoffneutralität zu erreichen. Laut der Statistischer Überblick über die Weltenergie 2023 Bericht des Energy Institute in Großbritannien machen erneuerbare Energien, einschließlich Wasserkraft, bereits rund 30 % der weltweiten Stromversorgung aus. Die Gesamtmenge dieser erneuerbaren Energie beträgt 8.539 TWh. Das bedeutet, dass sie mehr als viermal so hoch ist wie die 2.058 TWh im Jahr 1985.
Wenn es um die vollständige Nutzung erneuerbarer Energien geht, denken viele Menschen an die Stromerzeugung in großem Maßstab an Orten, die reich an natürlicher Energie sind. Beispiele dafür sind die Stromerzeugung durch Sonnenenergie an weitläufigen Orten wie Wüsten oder Grasland und die Stromerzeugung durch Windkraft auf dem Meer. Aber auch mitten in einer Großstadt gibt es Formen der erneuerbaren Energie. Es werden sogar proaktiv Anstrengungen unternommen, um die Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien in städtischen Gebieten einzuführen. In Japan zum Beispiel werden auf den Dächern von Gebäuden und Häusern Solarzellen installiert. Die Energiemenge, die diese Solarzellen erzeugen, ist gering. Das bedeutet, dass sie als Hilfsstromquelle eingesetzt werden. Dennoch werden sie effektiv genutzt. Darüber hinaus gibt es neue Bestrebungen, Technologien zur Erzeugung von Solarstrom an den Wänden und Fenstern von Gebäuden zu entwickeln und einzuführen sowie Technologien, die Strom durch die Vibrationen erzeugen, die beim Gehen entstehen.
Betrachtet man die Situation aus einer globalen Perspektive, so streben viele kleine und mittelgroße Städte eine lokale Produktion für den lokalen Verbrauch an, bei der der vor Ort verbrauchte Strom durch die Nutzung von Windkraft, Solarenergie, Wasserkraft und anderen Formen erneuerbarer Energien an diesem Ort erzeugt wird. Darüber hinaus beteiligen sich auch immer mehr Unternehmen an RE100. RE100 ist eine internationale Initiative, deren Ziel es ist, dass Unternehmen den Strom, den sie in ihren Betrieben nutzen, zu 100 % aus erneuerbaren Energien beziehen. Diese Unternehmen führen proaktiv Stromerzeugungsanlagen in ihren Fabriken und anderen Einrichtungen ein, um so viel Strom wie möglich selbst zu erzeugen (Abb. 1).
Microgrids: Unterstützung der lokalen Erzeugung für den lokalen Verbrauch erneuerbarer Energie
Die Bemühungen um eine lokale Produktion für den lokalen Verbrauch durch die Umwandlung erneuerbarer Energien in Strom sind ein äußerst effektives Mittel zur Nutzung von Energie. Dies liegt daran, dass es möglich ist, den Energieverlust zu minimieren, der in Energiesystemen bei der Übertragung und Verteilung der Energie immer auftritt.
Großkraftwerke befinden sich weit entfernt von den Städten, in denen ein großer Teil des Stroms in den derzeitigen Energiesystemen verbraucht wird. Der in diesen Kraftwerken erzeugte Strom wird in die Gebiete übertragen und verteilt, in denen er verbraucht wird, um für das tägliche Leben und sozioökonomische Aktivitäten genutzt zu werden. Etwa 30 % des in den Kraftwerken erzeugten Stroms gehen jedoch bis zu seiner Verwendung über das Stromübertragungs- und -verteilungsnetz (auch als Netz bezeichnet) verloren. Dies liegt daran, dass ein großer Teil des Stroms in Form von Wärme oder elektromagnetischen Wellen durch Stromleitungen und Stromrichterlasten abgeleitet wird. Je kürzer die Strecke der Stromübertragung und -verteilung ist, desto seltener wird der Strom umgewandelt, so dass sich der Leistungsverlust verringern lässt. Daher können wir das Auftreten von Energieverlusten minimieren, indem wir die natürliche Energie um uns herum als verteilte Energieversorgung nutzen und lokal für den lokalen Verbrauch produzieren.
*Diese verlinkte Seite ist auf Japanisch.
Ein kleines Stromnetz, das darauf abzielt, Strom lokal zu erzeugen und lokal zu verbrauchen, wird als Microgrid bezeichnet (Abb. 2). Neben der effektiven Nutzung erneuerbarer Energien haben Mikronetze noch weitere Vorteile, da es sich um verteilte Energiesysteme handelt. So sind Microgrids beispielsweise in der Lage, Gemeinschaften auch bei einem großflächigen Stromausfall in einer Notsituation wie einer Katastrophe stabil mit Strom zu versorgen. Dies ermöglicht es uns, unser tägliches Leben und unsere geschäftlichen Aktivitäten aufrechtzuerhalten.
Wichtige Voraussetzung für den Betrieb von Energiesystemen: Prinzip des Ausgleichs
Das Konzept von Microgrids ist einfach. Die Realisierung von Microgrids ist jedoch nicht so einfach. Das liegt daran, dass es ein wichtiges Prinzip für den Aufbau und den Betrieb von Energiesystemen gibt, das sogenannte "Ausgleichsprinzip".
Das Gleichgewichtsprinzip besagt, dass die von einem Kraftwerk gelieferte Strommenge immer mit der Stromnachfrage übereinstimmen muss, egal wie das Stromnetz beschaffen ist. Wenn wir ein Stromsystem betreiben, das gegen dieses Prinzip verstößt, wird die Stromspannung instabil und die Geräte können ausfallen, was zu einem großflächigen Stromausfall führt.
Strom aus erneuerbaren Energien wie Sonnenenergie wird jedoch durch instabile Naturphänomene erzeugt. Dementsprechend können wir die Menge des erzeugten Stroms nicht ohne weiteres anpassen. Daher ist es schwierig, die von uns verbrauchte Energie ausschließlich mit in der Gemeinschaft erzeugtem Strom zu liefern und vollständig zu nutzen. Das bedeutet, dass ein Mechanismus eingesetzt werden muss, der Überschüsse und Defizite durch fortschrittliche Betriebs- und Verwaltungsmethoden ausgleicht, wie z. B. die Feineinstellung des Gleichgewichts zwischen Angebot und Nachfrage in der Gemeinde oder die Nutzung eines großen Energiespeichersystems (ESS).
Intelligente Netze: Wichtige Voraussetzung für die Verwirklichung von Microgrids
Ein intelligentes Netz ist ein Mechanismus, der automatisch die notwendige Energieversorgung steuert, so dass sie ohne Überschüsse oder Defizite bereitgestellt werden kann, indem intelligente Zähler und andere Telekommunikationsgeräte eingesetzt werden, um den Energiebedarf in jedem einzelnen Haushalt, Unternehmen oder jeder anderen Einrichtung in Echtzeit zu visualisieren.
Microgrids und Smart Grids sind unterschiedliche Konzepte. Dennoch ist es schwierig, ein Mikronetz zu realisieren, das die lokale Erzeugung für den lokalen Verbrauch von Strom effizient und effektiv ohne die Einführung eines intelligenten Netzmechanismus ermöglicht. Intelligente Netze erfassen in Echtzeit und detailliert die in verteilten Anlagen zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien erzeugte Strommenge und die im täglichen Leben und in der Wirtschaft verbrauchte Strommenge, um ein Gleichgewicht zwischen beiden zu erreichen und gleichzeitig das Laden und Entladen mehrerer verteilter ESS zu steuern. Wenn die mit den zulässigen Lade- und Entladewerten der installierten ESS erzeugte Strommenge nicht ausreicht, beschaffen und entladen intelligente Netze Strom aus dem allgemeinen Netz, um das Gleichgewicht zu wahren.
Die Technologie, die die IoT-Technologie nutzt, um die gelieferte Strommenge so zu steuern, als wären die verschiedenen Stromerzeugungsanlagen und ESS in einem Mikronetz ein einziges Kraftwerk, wird als "virtuelles Kraftwerk (VPP)" bezeichnet. Inzwischen werden intelligente Zähler eingesetzt, um den Stromverbrauch in Haushalten und Unternehmen in Echtzeit zu erfassen. Weltweit gesehen verbreiten sich die intelligenten Zähler rasch. In Japan wurde 2014 im Großraum Tokio damit begonnen, intelligente Zähler in den Haushalten zu installieren. Bis zum Ende des GJ 2020 war die Installation in fast allen Haushalten und Geschäftseinrichtungen abgeschlossen. Die Installation von intelligenten Zählern in ganz Japan soll bis zum Ende des GJ2024 abgeschlossen sein. Mit anderen Worten kann man sagen, dass der Grundstein für die Förderung des Aufbaus von Microgrids immer weiter gelegt wird.
Gleichstromübertragungs- und -verteilungssysteme mit dem Ziel einer weiteren Effizienzverbesserung
Es werden auch Versuche unternommen, die Energienutzungsrate mit Microgrids weiter zu erhöhen. Derzeit wird an der Einführung eines neuen Stromübertragungs- und -verteilungsnetzes gearbeitet, das als "DC-Microgrid" bezeichnet wird. Dieses DC-Microgrid überträgt und verteilt Gleichstrom anstelle des für die kommerzielle Stromversorgung verwendeten Wechselstroms.
Gleichstromversorgungen wie Solarbatterien und Akkumulatoren werden häufig auf der Stromversorgungsseite von Microgrids eingesetzt. Auf der anderen Seite, auf der Seite des Stromverbrauchs, arbeiten Telekommunikationsgeräte, die mit Halbleitern und elektronischen Bauteilen hergestellt werden, und energiesparende elektronische Geräte, die mit Wechselrichtern hergestellt werden, mit Gleichstrom. Das bedeutet, dass beide Seiten mit Gleichstrom arbeiten.
Derzeit wird jedoch Wechselstrom übertragen und verteilt, so dass eine Umwandlung des Stroms sowohl bei der Übertragung als auch bei der Nutzung erforderlich ist. Dabei kommt es zu Leistungsverlusten. DC-Microgrids sind eine Technologie, die darauf abzielt, diesen Verlust zu minimieren. Es ist vorgesehen, dass Gleichstrombusse mit einer Spannung von etwa 400 V anstelle der herkömmlichen Wechselstromleitungen mit 200 V / 100 V verlegt werden und dass kommerzielle Hochspannungsnetze über einen bidirektionalen AC/DC-Wandler angeschlossen werden. Neben Microgrids werden auch Gleichstromübertragungssysteme eingesetzt, um Strom über große Entfernungen zu übertragen. Es gibt bereits Beispiele für den praktischen Einsatz dieser Technologie in Europa und Amerika.
Der Aufbau und der Betrieb von Mikronetzen wird zweifellos gleichzeitig mit der Ausweitung der Nutzungsmöglichkeiten von erneuerbaren Energien voranschreiten. Es wird erwartet, dass die Nachfrage nach noch leistungsfähigeren und flexibleren Mikrogrids, die verschiedene Nutzungssituationen bewältigen können, und nach den elektronischen Komponenten, die den Aufbau dieser Mikrogrids unterstützen, weiter steigen wird.
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