EN
Verbesserte Netzzuverlässigkeit durch Selbstheilungsfunktionen
Risiko von Infrastrukturausfällen – Was ist die Ursache?
Die alternde Hochspannungsstrominfrastruktur, die Energie landesweit überträgt, weist multiplikative Ausfallraten auf. Über 70 % der US-Übertragungsleitungen sind älter als 25 Jahre. Wetterbedingte Stromausfälle haben sich seit dem Jahr 2000 um 200 % erhöht (DOE-Bericht zur Modernisierung des Stromnetzes, 2023). Eine sich verschlechternde Infrastruktur – darunter Transformatoren, Kabel und Schaltanlagen – kann während Spitzenlastzeiten zu einer Kettenreaktion von Ausfällen führen. Dies verursacht den Versorgungsunternehmen im Durchschnitt Kosten von 740.000 US-Dollar pro Ausfallstunde (Ponemon Institute, 2023). Dieses wachsende Risiko unterstreicht die Notwendigkeit einer Modernisierung des Stromnetzes.
Automatisierte Fehlererkennung und -isolation in intelligenten Stromnetzen
IoT- und KI-Technologien werden eingesetzt, um intelligente Stromversorgungssysteme aktiv auf Störungen zu überwachen. Bei einer Anomalie trennen isolierte Schalter automatisch den betroffenen Teil des Netzes ab. Dadurch kann die Stromversorgung über alternative Wege umgeleitet werden – vollständig autonom. Diese Selbstheilungsfunktion verkürzt Reparatur- und Ausfallzeiten im Vergleich zu herkömmlichen Systemen, die auf manuelle Reparaturen und Diagnosen angewiesen sind, um 90 %.
Reaktionskennzahlen: Herkömmliches Netz vs. Intelligentes Netz
Störungserkennungszeit: 30+ Minuten < 1 Sekunde
Isoliergeschwindigkeit: Manuell – Stunden; 2–5 Sekunden
Betroffene Kunden: 1.000+ < 50
Erkenntnisse aus dem Pilotprojekt zum selbstheilenden Netz in Chattanooga
Das selbstheilende Verteilnetz der EPB Chattanooga, eines der ersten seiner Art in den USA, zeigte, wie sich die Zuverlässigkeit positiv verändern kann. Nach Abschluss der flächendeckenden Systemimplementierung konnte der Versorgungsunternehmen folgende Verbesserungen erzielen:
+ 40 % Reduktion der gesamten Ausfallminuten,
+ 60 % weniger durchschnittliche Anzahl betroffener Verbraucher pro Ereignis,
Automatisierte Neukonfiguration bei Vorhandensein extremer Wetterbedingungen in Echtzeit während des Neukonfigurationssturms im Netz, um die selbstheilende Architektur zu demonstrieren – ein einfaches und klimaresilientes Versorgungsnetz. Vor 20 Jahren war das Netz zu weniger als 45 % belastet, NREL 2023.
Nahtlose Integration erneuerbarer Energiequellen
Bewältigung der Intermittenz durch dynamisches Lastausgleichsverfahren
Das Wetter bestimmt die Stromerzeugung aus Solarenergie- und Windenergieanlagen und führt daher zu einer schwankenden Erzeugung durch solche Quellen. Eine Möglichkeit, diese Schwankungen abzumildern, besteht in der Nutzung intelligenter Stromnetze, die eine dynamische Lastverteilung oder die Echtzeit-Umverteilung von Strom im Netz auf Grundlage von Sensordaten und Vorhersagealgorithmen beinhalten. Als Beispiel können nicht kritische industrielle Lasten in Zeitfenster verlagert werden, in denen eine hohe Erzeugung verfügbar ist, wodurch die Einschränkung erneuerbarer Energien um bis zu 19 % reduziert wird (IRENA 2021). Diese Methode trägt dazu bei, das Stromnetz hinsichtlich Spannung und Frequenz zu stabilisieren, ohne dass teure neue Infrastruktur erforderlich ist.
Kommunikation vom Versorgungsunternehmen zum Verbraucher und Koordination der dezentralen Stromerzeugung
Das traditionelle Stromnetz verfügt nicht über die erforderliche Transparenz und Kontrolle, um Tausende unterschiedlicher und dezentraler Anlagen – sei es Batteriespeicher, Photovoltaikanlagen auf Hausdächern oder kommunale Mikronetze – zu steuern. Intelligente elektrische Netze lösen dieses Problem durch den Einsatz bidirektionaler Kommunikationskanäle, die es Versorgungsunternehmen ermöglichen, dezentrale Anlagen nahezu in Echtzeit zu managen und zu steuern. So kann beispielsweise überschüssiger Strom aus häuslichen Photovoltaikanlagen genutzt werden, um Elektrofahrzeug-Batterien zu Spitzenlastzeiten aufzuladen. Dieses Maß an Steuerung führt zur Umwandlung des passiven Verbrauchers in einen aktiven „Prosumer“, was selbstoptimierende Energiesysteme ermöglicht und die gesamtsystemische Einführung intelligenter Stromnetztechnologien um 8 bis 12 % senkt.
Lastmanagement, das optimiert ist, um die Systembelastung durch Spitzenlasten zu verringern
Die jährlichen Kosten für den überdimensionierten Ausbau der Spitzenlastkapazität in den USA betragen 27 Milliarden US-Dollar
Um selten auftretende, kurzzeitige Spitzenlasten (z. B. Hitzewellen im Sommer) zu decken, müssen Versorgungsunternehmen eine Erzeugungs- und Übertragungskapazität bereitstellen, die über den normalen Bedarf hinausgeht. Dies verursacht nach Schätzungen jährliche Kosten von 27 Milliarden US-Dollar für die US-Wirtschaft (US-Department of Energy, 2023), erhöht die Versorgungskosten für Kunden und lenkt Mittel von anderen kritischen sowie strategisch wichtigeren Investitionen ab. Der Einsatz intelligenter Stromnetztechnologien kann diese Belastung verringern, indem dynamische Lastmanagementmaßnahmen ermöglicht werden, mit denen die Nachfrage während Spitzenzeiten effektiv gesteuert und geregelt werden kann – ohne dass neue Infrastruktur erforderlich ist. Dadurch verbessert sich die Systemleistung und die Betriebskosten sinken.
Die Autoren erläutern, wie intelligente Stromversorgungssysteme funktionieren und wie sie zu betrieblichen Einsparungen sowie umweltlichen Verbesserungen führen.
Mithilfe intelligenter Stromnetzsysteme können Kunden Echtzeit-Warnungen zu Preisen, Netzbelastung (höhere Nachfrage als Angebot) und Steuerbefehlen auf Geräteebene erhalten. Die Warnungen werden über intelligente Zähler oder vernetzte Geräte bereitgestellt und führen zu automatisierten, vom Nutzer genehmigten Anpassungen (z. B. Änderung des Thermostatsollwerts oder Verschiebung des Betriebs der Pumpe für den Swimmingpool). In Pilotprojekten führte dies zu einer Reduzierung der Spitzenlast um 15 bis 20 % der verbleibenden Abhängigkeit von fossilen Spitzenlastkraftwerken. Zudem ermöglicht es eine stärkere Integration erneuerbarer Energien, indem die Nachfrage elastisch an die Verfügbarkeit sauberer Energie angepasst wird.
Intelligente Stromversorgungssysteme bieten den zusätzlichen Vorteil, Umweltvorteile zu generieren, die wiederum zu betrieblichen Einsparungen führen. Die Automatisierung trägt zur Reduzierung des aufwändigen und kostenintensiven Netzbetriebsmonitors bei, dessen Kosten 15 bis 30 % der Gesamtausgaben ausmachen; zudem verhindert sie vorzeitige Ausfälle von Transformatoren (prädiktive Wartung), was sowohl Netzausfälle vermeidet als auch die Lebensdauer der Anlagen verlängert und die Kosten für Notreparaturen einspart. All diese Effizienzsteigerungen tragen dazu bei, den erforderlichen Überkapazitätsausbau an Spitzenlastkapazität zu verringern – eine Belastung, die das US-Energieministerium mit jährlich 27 Milliarden US-Dollar beziffert. Darüber hinaus trägt die optimierte Lastverteilung dazu bei, den Verbrauch fossiler Brennstoffe zur Energieerzeugung im System während der Spitzenlast zu senken. Intelligente Energiesysteme können die CO2-Emissionen eines Stromnetzes um 8 bis 12 % reduzieren und gleichzeitig Energieeinsparungen durch geringere Leitungsverluste sowie durch die Nutzung erneuerbarer Energien zu deren Verfügbarkeitszeitpunkten erzielen. Intelligente Stromversorgungssysteme sind sowohl aus wirtschaftlicher als auch aus ökologischer Sicht eine Notwendigkeit für Städte, die eine nachhaltige Entwicklung anstreben.
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein sich selbst heilendes Netz?
Automatisierte Isolierung und Fehlerbehebung: Selbstheilende Netze nutzen eine Kombination aus Künstlicher Intelligenz (KI) und Sensoren des Internets der Dinge (IoT), um die Stromversorgung umzuleiten und Störungen zu erkennen. Selbstheilende Netze reduzieren Ausfälle erheblich im Vergleich zu herkömmlichen Stromnetzen.
Wie trägt die intelligente Netztechnologie zur Zuverlässigkeit bei?
Die Zuverlässigkeit wird durch intelligente Netztechnologie mittels Echtzeitüberwachung und Störungsmanagement verbessert. Automatisierte Technologien steigern die Zuverlässigkeit und verkürzen die Dauer von Ausfällen. Eine verbesserte Zuverlässigkeit erhöht die Effektivität dezentraler Energiequellen sowie des dynamischen Lastausgleichs zur Zentrierung des Netzes.
Welche Vorteile bietet die Integration erneuerbarer Energien in intelligente Netze?
Die dynamische Lastverteilung in Kombination mit intelligenten Stromnetzen und erneuerbaren Energien minimiert Energieverschwendung und optimiert gleichzeitig die Ressourcennutzung. Die Integration erneuerbarer Energien und intelligenter Stromnetze ist vorteilhaft, da sie die Schwankungen bei der Stromerzeugung verringert und die Energieverteilung effizient mit minimalen Übertragungsverlusten steuert.
Was ist eine dynamische Lastreaktion?
Die dynamische Lastreaktion steuert den Strombedarf entsprechend Echtzeitsignalen des Stromnetzes. Die Steuerung der Nachfrage mittels dynamischer Lastreaktion während Spitzenlastzeiten erhöht die Netzstabilität und verringert den Bedarf an zusätzlichen Infrastrukturmaßnahmen zur Bewältigung der Last.