Energy & Power - Der Fortschritt setzt auf ausreichende Energieversorgung

Smart Grid

Optimierung der Stromversorgung mit IT und smarten Technologien

Der Übergang zu einem Smart-Grid verbessert die Auslastung bestehender Netze. Der Ausbau von Leitungen und Transformatoren ist zeitaufwendig und kostenintensiv. Gerade im Nieder- und Mittelspannungsnetz sind Anpassungen notwendig. Dies ist auf die direkte Einspeisung kleinerer, dezentraler Erzeugungsanlagen in die unteren Spannungsebenen zurückzuführen. In Kombination mit dem steigenden Anteil erneuerbarer Energien führt dies zu erheblichen Schwankungen bei der Einspeisung von Energie ins Netz. Smart-Grid-Technologien ermöglichen eine schnellere und effizientere Netzsteuerung. Die wichtigste Anwendung im Zusammenhang mit dem Smart-Grid ist das Smart Meter, ein intelligentes Mess- und Analysesystem – das Gehirn des Smart-Grids.

Automatisierung auch bei dezentraler Stromerzeugung

Ursprünglich wurde die Norm IEC 61850 erstellt, um die Technik in elektrischen Mittel- und Hochspannungsschaltanlagen zu schützen und zu steuern. Darüber hinaus wird diese für die dezentrale Stromerzeugung in Verteilnetzen eingesetzt und bildet die normative Grundlage für Datenmodelle und Kommunikationsprotokolle.

Alles hängt von der Wahl der Komponenten ab

Für alle energierelevanten Komponenten im Zusammenhang mit einem Smart-Grid sind systemstabilisierende elektrotechnische Eigenschaften wichtig. Die Reaktion auf Spannungs- und Frequenzänderungen ist die relevanteste. Da diese in nationalen und internationalen Richtlinien definiert sind, ist die richtige Auswahl bei der Umsetzung der Anwendungen entscheidend. Im Austausch mit den SMART-, WIRELESS- und POWER-Experten von Rutronik können alle Eventualitäten besprochen werden, damit die richtige Wahl getroffen werden kann.

Vorteile und Anwendungen

• Automatisierte Steuerung der Stromversorgung
• Kompensation von Spannungsschwankungen
• Schnellere Systemintegration für dezentrale Energieerzeugung und -speicherung

Intelligente Messung

Effizientes Power-Management durch intelligente Messung

Für Netzbetreiber stellen Smart Meter wichtige Bausteine für die Energiesysteme der Zukunft dar. Sie erstellen eine detaillierte Analyse relevanter Parameter durch computergestützte Messung, Ermittlung und Steuerung von Energieverbrauch und -versorgung. Smart-Meter-Protokoll z. B. Spannungsausfälle, um den Netzbetreibern wichtige Informationen zur Verfügung zu stellen. Dadurch können sie Erzeugung, Netzauslastung und -verbrauch nahezu vollständig automatisiert und in Echtzeit koordinieren.

Smart Meter Gateway müssen bestimmte BSI-Anforderungen erfüllen  

Ein intelligentes Messsystem besteht aus einem Messgerät und einer Kommunikationseinheit, dem Smart Meter Gateway. Das Gateway verfügt über ein integriertes Sicherheitsmodul. Die Messdaten werden verschlüsselt empfangen, gespeichert und an relevante Parteien wie Netzbetreiber oder Energieversorger weitergeleitet. Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) hat in seiner technischen Richtlinie BSI TR-03109 die konkreten Anforderungen an den sicheren Einsatz von intelligenten Messsystemen entwickelt. Der Einbau intelligenter Messsysteme mit Smart Meter Gateways ist bereits seit Februar 2020 verpflichtend und soll bis 2023 abgeschlossen sein.

Sprechen Sie mit den Rutronik Spezialisten für die Vorbereitung Ihres Smart-Meter-Systems

Der globale Distributor bietet eine Reihe von gebündelter Hardware, Software und Dienstleistungen an, die Komplettlösungen vereinen. Ob für Netzbetreiber, Messdienstleister oder die Hersteller eines Smart Meter Gateways: Eine optimale Auswahl an Sensoren, Drahtloskomponenten, Mikrocontrollern, Power-Management, Sicherheitslösungen und wichtigen Komponenten für maschinelles Lernen an Edge ist der erste Schritt zu einem effizienten System.

Vorteile und Anwendungen

• Integration dezentral erzeugter Energie ins Netz
• Versorgungssicherheit durch Glättung von Verbrauchsspitzen
• Optimierte Nutzung vorhandener Speicherkapazitäten
• Ermöglichung einer stabilen Kostenstruktur für Netzbetreiber und Verbraucher
• Effizientes Management von Stromnetzen

Energiespeicherung

Smart-Grids brauchen neue Speichertechnologien

Neben den Systemen zur Steuerung der Stromnetze stellen Stromspeichersysteme die Brückentechnologie der zukünftigen Energieversorgung dar. Aktuell stehen Kurzzeitspeicher, z. B. Batterien, Druckluftspeicher oder Pumpspeicherkraftwerke und Langzeitspeicher wie Wasserstoff/Methan, Großspeicherkraftwerke zur Verfügung. Erstere können an einem Tag wiederholt Energie aufnehmen und wieder abgeben, während letztere elektrische Energie tage- oder wochenlang speichern können.

Herausforderungen für neue Speichertechnologien

Neue Speichermethoden, wie z. B. Metallhydridspeicher für Wasserstoff, erfordern ebenfalls angepasste Managementsysteme. Unterschiede in Druck, Temperatur, Leistung usw. erfordern angepasste Komponenten, um unnötige Energieverluste oder Schäden an den Speichern zu vermeiden.

Weitere Herausforderungen ergeben sich, wenn Anwendungen aus den Bereichen Strom, Wärme und Mobilität auf Basis erneuerbarer Energien durch Sektorenkopplung in einen direkten Zusammenhang gebracht werden. Der Oberbegriff lautet „Power-to-X“: Überschussstrom („Strom“), der in bestimmten Zeitabständen anfällt, wird anderen Energieformen oder Nutzungszwecken („X“) zugeführt.

Rutronik bietet Flexibilität bei Komponenten und Know-how

Die unterschiedlichen Aggregatzustände, hohe Temperaturschwankungen und unterschiedliche Zielapplikationen sind nur Beispiele für die hohen Anforderungen, die ein innovatives Speichersystem stellt. Rutronik kann hier die notwendigen Komponenten ermitteln, etwa im Bereich der Supercaps (EDLC), oder auch durch seine Patente und Proof-of-Concepts, z. B. das hybride Energiespeichersystem (HESS), einen wesentlichen Beitrag zur Verkürzung der Time-to-Market leisten.

Vorteile und Anwendungen

• Vernetzung unterschiedlicher Energiesysteme
• Optimierung der Speicherkapazitäten
• Reduzierung von Energieverlusten
• Power-Management-Systeme
• Hybride Energiespeichersysteme

Laden von Elektrofahrzeugen

Das Elektrofahrzeug als Teil des Smart-Grids

Statistisch gesehen beträgt die tatsächliche Nutzung eines Fahrzeugs nur eine Stunde pro Tag. Es bindet Kapazitäten für die restlichen 23 Stunden. Diese vorhandenen Energiereserven können im Rahmen der innovativen Vehicle-to-Grid (V2G)- und Vehicle-to-Home (V2H)-Lösungen effizienter und nachhaltiger genutzt werden. Darüber hinaus tragen sie dazu bei, das Netz zu Spitzenzeiten zu stabilisieren und die Stromkosten zu senken.

Wie man ein privates Fahrzeug in einen temporären Batteriespeicher verwandelt

Private E-Fahrzeuge können als flexible Speicher genutzt werden, wenn mehr Strom produziert wird, als das Netz aufnehmen kann. Voraussetzung dafür ist die Umsetzung eines flächendeckenden Smart-Grids. Je mehr Elektroautos in den Vehicle-to-Grid-Schwarm integriert werden, desto höher ist die Speicherkapazität und desto besser können erneuerbare Energien genutzt werden. Im Rahmen von V2H werden Fahrzeuge alternativ als Zwischenspeicher für selbst erzeugten Solarstrom genutzt, der dann sukzessive in das Smart Home eingespeist wird.

Gewährleistung der Sicherheit bei Speicher- und Lade-/Entladevorgängen

Batteriemanagementsysteme müssen nicht nur für effiziente Ladevorgänge und Speicherprozesse sorgen. Sie dienen auch der Erfüllung von Sicherheitsaspekten. Schwachstellen werden frühzeitig erkannt und gemeldet, bevor eine komplette Abschaltung notwendig wird.

Die Anforderungen an die verbauten Komponenten sind besonders hoch. Energie fließt von verschiedenen Quellen in eine Batterie und weg in verschiedene Kanäle, die teilweise spezifische Anforderungen haben. Die interdisziplinären Teams der POWER Unit und der Automotive Business Unit bieten umfangreiches Know-how bei Fragen, die von den kleinsten Komponenten bis hin zu übergeordneten Systemen und Lösungen reichen.

Vorteile und Anwendungen

• Überschussenergie effizient nutzen
• Stabilisierung des Stromnetzes
• Flexibler Einfluss auf Kosten-Nutzen-Verhältnis
• Vernetzung von Lade- und Speichersystemen für E-Fahrzeuge und intelligente Zuhause

Energy Harvesting

Wie Umgebungsenergie hilft, Geld zu sparen

Durch Energy Harvesting werden Kabel zur Stromversorgung oder zum Austausch oder Aufladen von Batterien in mobilen Geräten überflüssig. Licht-/Sonnenenergie, Rotations-/Bewegungsenergie, Vibrationen, Temperaturunterschiede und elektromagnetische Energie aus der Umgebung erzeugt elektrische Energie für die Versorgung kleiner Elektroniksysteme.

Power-Management und Energiespeicherung als größte Herausforderungen

Das Power-Management muss die gewonnene elektrische Energie an den Bedarf des jeweiligen Anwendungsgerätes oder des Spannungsspeichers anpassen. Dabei geht es oft um eine Umwandlung des Spannungspegels oder die Gleichrichtung und Filterung von Impulsströmen. Um möglichst viel Energie zu gewinnen, ist die Anpassung des Innenwiderstands des Wandlers und des Power-Managements bzw. der Last entscheidend. Die zu integrierenden Maßnahmen, ob passiv oder mit aktiven Techniken wie Maximum Power Point Tracking (MPPT), können gemeinsam mit der POWER Unit von Rutronik definiert werden. Insbesondere der Stromverbrauch und die Anlaufspannung der Power-Management-Unit erfordern die Aufmerksamkeit der Entwickler. Je effizienter die Power-Management-Unit arbeitet, desto mehr kann das Design in Bezug auf Volumen und Kosten optimiert werden.

Schaffung von Energiereserven für Startanwendungen 

Ein Problem beim Energy Harvesting ist, ähnlich wie beim Stromnetz, dass die Umgebungsenergie variabel und nicht ständig verfügbar ist. Daher werden Energiespeicher genutzt, um die verfügbare Energie dauerhaft aufzunehmen. Wird mehr Energie benötigt, wird diese Überschussenergie genutzt. Dadurch wird die Funktionalität der Anwendung sichergestellt.

Vorteile und Anwendungen

• Batterieloses IoT
• Stromsparende Sensoren, Aktuatoren, Mikrocontroller und drahtlose Transceiver
• Gebäudeautomation
• Strukturelle Gesundheits- und Zustandsüberwachung