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Digitale Schaltanlage bei Nacht: Die Kommunikation erfolgt hier digital über Glasfaser. Bild: ABB
Energiewende 2.0

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Digitales Energienetz von morgen

Text: Raphael Görner, ABB
Erneuerbare Energien haben die Erzeugungslandschaft verändert und sind für den Stromnetzum- und -ausbau hauptverantwortlich. Neben dem Stromtransport steigt aber auch der Bedarf an Kommunikation und Regelung an – die Energiewende 2.0 beginnt.

Nachdem die erneuerbaren Energien 2015 einen Rekordanteil am Stromverbrauch in Deutschland hatten, gab es am 8. Mai 2016 den nächsten Rekord – fast 90 Prozent des Stromverbrauchs wurden kurzzeitig durch erneuerbaren Energien abgedeckt, hauptsächlich durch die Sonne und den Wind. Der Ausbau der Energieerzeugung aus regenerativen Quellen kann also schon als Erfolg gewertet werden. Allerdings kommt es immer öfter vor, dass erzeugter Strom aus Wind- oder Sonnenkraft nicht vollumfänglich verbraucht, geschweige denn transportiert werden kann. Steigende Stromexporte ins benachbarte Ausland und Eingriffe ins Übertragungsnetz sind an der Tagesordnung. Die daraus resultierenden Redispatchkosten liegen für die vier deutschen Übertragungsnetzbetreiber bereits bei rund einer Milliarde Euro und sollen 2020 die Vier-Milliarden-Euro-Marke übersteigen. Neben dem konventionellen Netzausbau braucht es daher heute schon Lösungen für eine bessere Nutzung der bestehenden Infrastruktur – die Energiewende 2.0 beginnt.

Digitalisierung der Energieversorgung

Die bisherige Kupferplatte des deutschen Stromnetzes gibt es nicht mehr – zusätzliche Steuerungselemente im Übertragungs- und Verteilnetz sind notwendig, um flexibel auf die volatile Einspeisung aus erneuerbaren Energien zu reagieren und die bestehende Infrastruktur besser auszunutzen. Die Digitalisierung ist dabei auch in der Energieversorgung einer der wichtigsten Trends. Waren früher Netzspannung und Netzfrequenz die wesentlichen Informationsquellen zum Steuern der Energieversorgung, können heute detaillierte Informationen zum Zustand jeder einzelnen Netzkomponente die Effizienz im Stromnetz weiter erhöhen und die Betriebsmittel besser auslasten. Hierfür muss aber zusätzliche Sensorik in den Umspannwerken installiert und eine Kommunikation in Echtzeit sichergestellt werden – eine solche Gesamtlösung für ein Umspannwerk heißt digitale Schaltanlage.

Eine digitale Schaltanlage ist eine Schlüsselkomponente für Smart Grids. Analoge Signale über Kupferkabel werden durch digitale Kommunikation über Glasfaserkabel ersetzt. Dadurch steigen die Sicherheit, Flexibilität und Verfügbarkeit, gleichzeitig sinken die Kosten, Risiken und Auswirkungen auf die Umwelt. Digitale Umspannwerke enthalten intelligente elektronische Geräte (IEDs) mit integrierter Informations- und Kommunikationstechnik. Ein IED ist ein mikroprozessorbasiertes Schutz- und Steuergerät für eine energietechnische Ausrüstung wie Leistungsschalter, Transformatoren und Kondensatorbänke.

Die Vernetzung von Technik basiert auf Kommunikation – und die moderne Kommunikation basiert in der Stationsautomatisierung auf dem internationalen Standard IEC 61850. Über die Teilnorm IEC 61850-9-2 zum Austausch von analogen Abtastwerten über Ethernet sind Unternehmen in der Lage, die Digitalisierung konsequent über das gesamte System hinweg umzusetzen – von der Leitebene bis hin zum Wandler.

Schon in den späten 1990ern wurde ABB vom australischen Energieversorger Powerlink in Queensland zum Bau der ersten digitalen Schaltanlage beauftragt. Obwohl das System seitdem stetig weiterentwickelt wurde, war das Grundprinzip schon damals dasselbe: Kupferkabel werden durch Glasfaserkommunikations-Busse ausgetauscht; schwere und sperrige Spannungs- und Stromsensoren werden durch kleine und integrierte ersetzt. Die Weiterentwicklung ebnet schrittweise den Weg hin zu volldigitalen Systemen.

Gründe für digitale Schaltanlagen

Elektrische Signale werden heute bereits direkt an der Quelle digitalisiert. Die Datenmanagement-Software SDM600 ermöglicht, Daten automatisiert zu erfassen und zu visualisieren. Dadurch kann die Netzstabilität kontrolliert, digitale Diagnosen gestellt sowie schnell und flexibel auf sich ändernde Konditionen im Netz reagiert werden. Das digitale Zusammenspiel und die Synchronisation von verschiedener Technik sichert zudem eine verlässliche Stromzufuhr.

Eine digitale Schaltanlage ermöglicht auch Platz- und Kostenersparnisse. Im Vergleich zu einer konventionellen Schaltanlage werden bei einer digitalen viele Funktionen, die vorher von verschiedenen Geräten ausgeführt wurden, in einer Einheit untergebracht. So können die bisher separat ausgeführten Stromwandler durch einen optischen Sensor ersetzt und direkt in Schaltgeräte integriert werden. Dadurch kann bis zu 60 Prozent der Grundfläche eingespart werden.

Durch ein vereinfachtes Design wird außerdem weniger Material benötigt. Im Vergleich zu luftisolierten Schaltanlagen mit konventioneller Technik werden bei digitalen Schaltanlagen bis zu 80 Prozent weniger Kupferkabel verlegt und durch Kommunikations-Bus-Systeme abgelöst. Gleichzeitig ermöglicht das modulare SAM600-System im Falle einer Störung einen einfachen Austausch von Komponenten. Zeitaufwand und Risiken bei Service- und Wartungstätigkeiten werden so reduziert. Zusätzlich verhindern höchste Sicherheitsstandards potenzielle Gefahrensituationen für das Personal, wie etwa Überschläge oder Kurzschlüsse.

Eine Investition in die digitale Zukunft lohnt sich, denn durch digitale Schaltanlagen entstehen bisher nicht dagewesene Möglichkeiten für Energieversorgungsunternehmen. Jetzt liegt es aber auch an der Politik sicherzustellen, dass in der Anreizregulierung nicht nur Investitionen in den konventionellen Netzausbau belohnt werden, sondern auch Investitionen in flexible, integrierte und digitale Lösungen.

Die nächsten Schritte der Energiewende

Je mehr Informationen aus dem Stromnetz verfügbar sind, desto besser möchte der Netzbetreiber diese natürlich auch steuern. Heute gehören Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungs-Systeme genauso zum Werkzeugkasten für den Umbau unserer Stromnetze wie MSCDN (mechanisch geschaltete Kondensatorbänke) oder auch SVC-Anlagen (Static Var Compensator) für die dynamische Blindleistungskompensation. Die nächste Generation von Betriebsmitteln steht bereit: Batteriespeicher und FACTS-Anlagen (Flexible Drehstrom-Übertragungssysteme) kommen in der ersten Generation bereits zum Einsatz. Die Flexibilisierung der Stromnetze ist auf dem besten Weg zur Energiewende 3.0.

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