Unser heutiges Energieversorgungssystem basiert auf wenigen, zentral organisierten Großkraftwerken, die den Hauptteil der gesamten Stromerzeugung Deutschlands übernehmen. Zukünftigen Herausforderungen ist dieses Versorgungssystem nicht mehr gewachsen. Um die Vision einer auf 100 % erneuerbaren Energie basierenden Energieversorgung in Deutschland realisieren zu können, ist daher ein Umbau der Versorgungsstruktur der Bundesrepublik Deutschland zwingend erforderlich. Vor diesem Hintergrund haben sich mit dem zentral und dem dezentral orientierten Ansatz, zwei voneinander zu unterscheidende Lösungsansätze für das Energieversorgungssystem der Zukunft herauskristallisiert.
In dieser Arbeit wird ein dezentraler Ansatz auf der Idee von sich selbst mit Elektroenergie versorgenden Micro Grids für das Energieversorgungssystem der Zukunft entwickelt. Dabei wird zusätzlich untersucht ob der Ansatz mit autarken Versorgungszellen auf der Basis von 100 % erneuerbaren Energien in Deutschland umsetzbar ist. Es wird gezeigt, dass der dezentrale Ansatz auf der Basis von Micro Grids eine mögliche Lösungsalternative für das zukünftige Energieversorgungssystem darstellt. Für eine autarke Versorgung auf der Basis von erneuerbaren Energien fehlen bislang jedoch adäquate Speichermöglichkeiten. Mit der Entwicklung dieses micro-grid-basierten Ansatzes wird ein erster Schritt auf dem Weg zum Aufbau des zukünftigen Energieversorgungssystems der Bundesrepublik Deutschland beschritten. Bis zu seiner Umsetzung bedarf es jedoch weiterer Forschungs- und Entwicklungsarbeit.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1. Problemstellung und Zielsetzung
1.2. Aufbau der Arbeit
2. Rahmenbedingungen für die Entwicklung
2.1. Diskussion von Lösungsansätzen
2.2. Herausforderungen des aktuellen Energieversorgungsnetzes
2.2.1. Spannungsebenen des deutschen Stromversorgungsnetzes
2.2.2. Regelzonen des deutschen Übertragungsnetzes
2.2.3. Verlauf der Tagesbelastung
2.3. Problematik der Systemdienstleistungen
2.3.1. Übersicht und Problemstellung
2.3.2. Frequenzhaltung
2.3.3. Spannungshaltung
2.3.4. Versorgungswiederaufbau
2.3.5. Betriebsführung
2.4. Begriffsverständnis und Definitionen
2.4.1. Erneuerbare und dezentrale Energie
2.4.2. Smart Grid
2.4.3. Micro Grid
2.4.4. Virtuelles Kraftwerk
2.4.5. Regelenergie oder Reserveleistung
3. Entwicklung eines dezentralen Lösungsansatzes
3.1. Ziel des dezentralen Energieversorgungssystems
3.2. Energiemix der Zukunft auf Basis 100 % erneuerbarer Energien
3.2.1. Potenzial der Energieerzeugung
3.2.2. Energiebedarf
3.2.3. Zusammensetzung der Energieerzeugung
3.3. Ebenen des zukünftigen Versorgungssystems
3.4. Aufbau der dezentralen Versorgungszellen
3.4.1. Territoriale Größe der Zellen
3.4.2. Verbraucherstruktur
3.4.3. Erzeugerstruktur
3.4.4. Zusammenfassung
3.5. Energieausgleich im Smart Grid über benachbarte Micro-Grid-Zellen
3.6. Anforderungen für den Aufbau des Steuerungssystems
4. Untersuchung der Last- und Einspeisesituation im Micro Grid
4.1. Analyse der Lastsituation
4.1.1. Lastenstruktur
4.1.1.1. Vorüberlegungen zur Struktur
4.1.1.2. Private Haushalte
4.1.1.3. Gewerbe, Handel und Dienstleistungen (GHD)
4.1.1.4. Industrie
4.1.1.5. Verkehr
4.1.1.6. Zusammenfassung
4.1.2. Lastprofil
4.1.3. Anforderungen an das Steuerungssystem aus Verbrauchersicht
4.2. Analyse der Einspeisesituation
4.2.1. Einspeisestruktur
4.2.1.1. Vorüberlegungen zur Struktur
4.2.1.2. Nicht-steuerbare erneuerbare Energien
4.2.1.3. Steuerbare erneuerbare Energien
4.2.1.4. Zusammenfassung
4.2.2. Einspeiseprofil
4.2.3. Anforderungen an das Steuerungssystem aus Erzeugungssicht
4.3. Vergleich von Last- und Einspeiseprofil
5. Konzeptionierung und Modellierung des Steuerungsprozesses
5.1. Identifizierung des Steuerungspotenzials
5.2. Aufbau des Steuerungskonzeptes
5.3. Steuerungsmöglichkeiten im Micro Grid
5.3.1. Steuerung durch Verbrauchsanpassung
5.3.2. Steuerung durch regelbare Erzeugung
5.3.3. Steuerung durch Energiespeicherung
5.3.4. Steuerung mithilfe des Netzverbundes
5.4. Entwicklung des Steuerungsprozesses für das Micro Grid
5.4.1. Organisationsstruktur
5.4.2. Funktionsdarstellung
5.4.3. Datendarstellung
5.4.4. Prozessmodellierung
6. Fazit
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Entwicklung eines dezentralen Energieversorgungssystems auf Basis von Micro Grids, um die Zukunftsfähigkeit der Stromversorgung in Deutschland bei einer auf 100 % erneuerbaren Energien beruhenden Produktion zu bewerten und einen entsprechenden Steuerungsprozess zu konzipieren.
- Analyse der Rahmenbedingungen für dezentrale Energiesysteme
- Untersuchung der Last- und Einspeisesituation innerhalb eines Micro Grids
- Konzeptionierung und Modellierung eines Steuerungsprozesses zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit
- Evaluation des Potenzials autarker Versorgungszellen im Vergleich zu zentralen Ansätzen
- Einsatz von Lastmanagement und steuerbarer Erzeugung zum Energieausgleich
Auszug aus dem Buch
1.1. Problemstellung und Zielsetzung
Unser heutiges Energieversorgungssystem basiert auf wenigen, zentral organisierten Großkraftwerken, die den Hauptteil der gesamten Stromerzeugung Deutschlands übernehmen. Lastflüsse im Zuge der Energieverteilung erfolgen in diesem System unidirektional, in eine Richtung, direkt vom zentralen Erzeuger hin zum Verbraucher.
Die steigende Energienachfrage, die Abhängigkeit von fossilen Rohstoffen, die Klimaschutzziele zur Treibhausgasreduzierung sowie die zunehmende dezentrale als auch fluktuierende Energieeinspeisung zwingen die Bundesrepublik Deutschland zu einem Umbau der Energieversorgungsstruktur. Zukünftig werden erneuerbare Energien, wie z. B. die Windkraft, die begrenzten, fossilen Brennstoffe Schritt für Schritt ablösen. Eine Vielzahl kleinerer dezentraler Anlagen wird die Stromerzeugung kennzeichnen. Im Versorgungsnetz der Zukunft wird es zu bidirektionalen oder sogar zu multidirektionalen Lastflüssen kommen. Verbraucher (Consumer) werden sich zu Prosumern (Consumer und Producer) entwickeln, die dem Netz nicht mehr nur Energie entziehen, sondern in dieses auch selbst, als dezentrale Erzeuger (Producer), einspeisen.
Diesen zukünftigen Herausforderungen ist das aktuelle Versorgungssystem nicht mehr gewachsen. In der Energiebranche haben sich daher zwei voneinander zu unterscheidende Lösungsansätze, ein zentral und ein dezentral orientierter Ansatz, für das Energieversorgungssystem der Zukunft herauskristallisiert. Der zentrale Ansatz beruht dabei auf der Fortführung des bewährten, zentral organisierten Energieversorgungssystems und der dezentrale auf der Unterteilung des Versorgungssystems in eine Vielzahl kleiner, intelligenter Teilnetzbereiche.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Diese Einleitung führt in die Problematik des Energieumbaus in Deutschland ein und definiert das Ziel, die Umsetzbarkeit eines auf Micro Grids basierenden, dezentralen Energieversorgungssystems zu prüfen.
2. Rahmenbedingungen für die Entwicklung: Hier werden die Herausforderungen des aktuellen Netzes, Systemdienstleistungen sowie die grundlegenden Begrifflichkeiten wie Smart Grid und Micro Grid erläutert.
3. Entwicklung eines dezentralen Lösungsansatzes: Dieses Kapitel widmet sich der Zielsetzung autarker Micro-Grid-Zellen, leitet einen auf 100 % erneuerbaren Energien basierenden Energiemix ab und definiert die Struktur dezentraler Versorgungszellen.
4. Untersuchung der Last- und Einspeisesituation im Micro Grid: Hier wird das Last- und Einspeiseverhalten für ein Micro Grid analysiert, um zu ermitteln, ob eine autarke Energieversorgung realistisch ist und welcher Steuerungsbedarf daraus resultiert.
5. Konzeptionierung und Modellierung des Steuerungsprozesses: Dieses Kapitel befasst sich mit der Entwicklung eines Steuerungsprozesses zur Modellierung des Energieausgleichs im Micro Grid unter Anwendung des ARIS-Konzepts und BPMN-Notation.
6. Fazit: Das Fazit fasst die Ergebnisse zusammen und stellt fest, dass eine autarke Versorgung allein durch Verschiebung der Erzeugerleistung nicht ausreicht, sondern eine Weiterentwicklung von Speichertechnologien notwendig ist.
Schlüsselwörter
Micro Grid, Smart Grid, Dezentrale Energieerzeugung, Energieversorgungssystem, Energieausgleich, Lastmanagement, erneuerbare Energien, Steuerungsprozess, Energieeffizienz, Systemdienstleistungen, Prosumer, Lastprofil, Einspeiseprofil, Versorgungssicherheit, Energiewende.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit untersucht die Entwicklung eines dezentralen, auf Micro Grids basierenden Ansatzes für die zukünftige Energieversorgung in Deutschland, die auf 100 % erneuerbaren Energien basiert.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf dem Strukturwandel des Energiesystems, der Analyse von Last- und Einspeiseprofilen dezentraler Zellen sowie der Konzeption eines Steuerungsprozesses für den Energieausgleich.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, zu belegen, ob eine autarke Energieversorgung mittels Micro Grids unter den Bedingungen einer 100 % erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland umsetzbar ist.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor verwendet eine Literaturanalyse zur Herleitung von Rahmenbedingungen, eine quantitative Analyse zur Last- und Einspeisesituation sowie das ARIS-Konzept zur Prozessmodellierung.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der detaillierten Untersuchung der Last- und Einspeisesituation, der Profilbildung für Micro Grids und der Modellierung eines Steuerungskonzepts.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Micro Grid, Smart Grid, dezentrale Energieerzeugung, Lastmanagement und Energieausgleich.
Warum ist eine autarke Micro-Grid-Zelle ohne Speicher schwer realisierbar?
Die Analyse zeigt, dass die Erzeugung aus erneuerbaren Energien fluktuiert und die erzeugte Menge im Winterhalbjahr ohne Langzeitspeichermedien nicht ausreicht, um den gesamten Bedarf der Zelle zu decken.
Welche Rolle spielt die Steuerung des Verbundnetzes im Modell?
Das Verbundnetz dient als Backup, falls interne Ausgleichsmöglichkeiten (Lastmanagement und kurzfristige Speicher) nicht ausreichen, um die Energiebilanz der Versorgungszelle auszugleichen.
Was ist das Ergebnis der Profilgegenüberstellung?
Es zeigt sich ein deutliches Missverhältnis zwischen Last und Erzeugung insbesondere im Winter, was zeigt, dass ohne fortgeschrittene Speichertechnologien eine dauerhafte Autarkie nicht ohne Weiteres möglich ist.
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- Jens Kitzmann (Author), 2011, Entwicklung eines micro-grid-basierten Ansatzes für das Smart Grid der Zukunft, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/191341
