Dieser grundlegende Wandel – die Dezentralisierung der Stromerzeugung – verändert den Betrieb nationaler Stromnetze und die Beziehungen zwischen Haushalten, Unternehmen und Stromversorgern. Dieser Übergang ist bereits im Gange, und die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt, dass bis 2030 mehr als 100 Millionen Haushalte über Photovoltaik-Dächer verfügen werden – ein deutlicher Anstieg gegenüber den derzeitigen 25 Millionen.[1]
Die Dezentralisierung der Stromversorgung steht somit erst am Anfang, und Elektrotechniker sehen sich mit einer Vielzahl neuer Herausforderungen und Chancen konfrontiert. In diesem Artikel untersuchen wir die sich wandelnde Landschaft nationaler Stromnetze und analysieren ihre technischen und gesellschaftlichen Auswirkungen.
Faktoren, die die Entwicklung von Stromnetzen vorantreiben:
Mehrere Faktoren haben die zunehmende Dezentralisierung von Stromnetzen vorangetrieben. Im Vordergrund stehen dabei die systembedingten Einschränkungen zentralisierter Stromnetze und die einzigartigen Vorteile dezentraler Stromversorgung.
Ein wesentlicher Treiber der dezentralen Stromversorgung war die Entwicklung kleinerer erneuerbarer Energiequellen. Um vor dem Aufkommen von Solaranlagen und kleinen Windkraftanlagen eine unabhängige Stromversorgung zu erreichen, war der Einsatz von Generatoren mit Dynamos erforderlich, beispielsweise Gas-, Kohle- oder Wasserturbinen. Diese Turbinen benötigen erhebliche Ressourcen und können beträchtliche Sicherheits-, technische und soziale Herausforderungen mit sich bringen.
Ein weiterer wichtiger Treiber für die dezentrale Stromerzeugung ist der steigende Strombedarf. Die Deckung dieses Bedarfs mit großen, zentralen Kraftwerken erfordert umfangreiche Planung, erhebliche Ressourcen und viel Zeit. Der Bau und die Inbetriebnahme von Kernkraftwerken dauern sechs bis acht Jahre.[2]
Kleinere, dezentrale Energiequellen lassen sich deutlich schneller realisieren: Große Solarparks benötigen in der Regel ein bis drei Jahre, um Strom ins Netz einzuspeisen,[3] und kleinere Solaranlagen für Privathaushalte und Industrie (Abbildung 1) benötigen durchschnittlich sechs bis 18 Wochen.[4] In vielen Fällen ist es einfacher und kostengünstiger, den steigenden Energiebedarf mit zahlreichen kleineren, dezentralen Quellen zu decken als mit einer einzigen zentralen Quelle.
Abbildung 1: Kleinere gewerbliche Solaranlagen wie die abgebildete können innerhalb weniger Tage installiert werden. (Quelle: anatoliy_gleb/stock.adobe.com)
Sinkende Kosten und steigende Effizienz erneuerbarer Energietechnologien haben in Verbindung mit steigenden Strompreisen die Nutzung von Solarenergie und Windkraft zunehmend erleichtert. Fortschritte bei Energiespeicher- und -managementtechnologien erhöhen ebenfalls die Wirtschaftlichkeit dezentraler erneuerbarer Energien.
Der Aufstieg dezentraler Stromversorgung:
Die wachsende Nachfrage nach dezentraler Stromversorgung resultiert aus großflächigen Trends und Fortschritten in den Bereichen erneuerbare Energien, Leistungselektronik und Batteriespeichersysteme (BESS). Innovationen in der Elektronik schaffen neue Möglichkeiten für dezentrale Energiequellen, indem sie die Systemeffizienz, Intelligenz und Sicherheit erhöhen sowie Kosten und Installationsprobleme reduzieren.
Entwicklung von Photovoltaik-Solarmodulen und Windkraftanlagen:
Anfang der 2000er-Jahre erreichten typische Photovoltaik-Solarmodule für Wohnhäuser und Gewerbebetriebe einen Wirkungsgrad von etwa 15 %.[5] Seitdem haben Fortschritte im Design von Photovoltaikzellen und wesentliche Änderungen in der Materialzusammensetzung dazu beigetragen, diesen Wert zu steigern. Heute bieten Module typischerweise einen Wirkungsgrad von rund 20 %.[6]
Oxford PV, eine Tochtergesellschaft der Universität Oxford, stellte kürzlich mit ihrer Perowskit-Silizium-Tandem-Solarzelle in kommerzieller Größe einen Weltrekord auf und erreichte einen Wirkungsgrad von 28,6 %. Dieser bedeutende Schritt deutet darauf hin, dass noch größere Wirkungsgradsteigerungen möglich sind.[7] Ein höherer Modulwirkungsgrad kann die Nutzung dezentraler Energiequellen fördern, indem er die für eine wirtschaftliche Solaranlage benötigte Fläche reduziert (bei gleichbleibenden Modulkosten).
Auch Windkraftanlagen werden kontinuierlich weiterentwickelt, und neue blattlose Turbinen (Abbildung 2) können mehrere bisher bestehende Herausforderungen bewältigen. Der Verzicht auf herkömmliche rotierende Rotorblätter vereinfacht die Systemintegration in Gebäude und erhöht die Betriebssicherheit. Zudem werden die Wartungskosten gesenkt und das Risiko von Vogelschlägen verringert. Diese Vorteile können Unternehmen dabei helfen, Windkraftanlagen in neuen Gebieten zu installieren, beispielsweise näher an Solaranlagen oder in kleineren Wohngebieten, wo planungsrechtliche Beschränkungen normalerweise die Installation von Turbinen mit rotierenden Rotorblättern verhindern.
Abbildung 2: Rotorblattlose Windenergie nutzt Windschwingungen und Generatoren, um ohne Rotorblätter Strom zu erzeugen. (Quelle: VectorMine/stock.adobe.com)
Das BMW Mini-Werk in Oxford hat als Ergänzung zu seinen Solaranlagen das weltweit erste stationäre Energiesystem von Aeromine Technologies installiert.[8] Durch die Modifizierung des Luftstroms mittels aerodynamischer Profile erzeugt die Turbine hinter dem Gerät eine Unterdruckzone, die Luft mittels ihrer internen Pumpe ansaugt und so Windenergie in Strom umwandelt.[9]
Das spanische Start-up-Unternehmen Vortex Bladeless entwickelt ein turbinenloses System zur Stromerzeugung aus Windenergie. Dieses System nutzt die Wirbelablösung (die Entstehung von Wirbeln durch den Wind, der um einen Zylinder strömt), um Schwingungen zu erzeugen, die von einem internen elektromagnetischen Generator in Strom umgewandelt werden.[10]
Fortschritte in der Wechselrichtertechnologie:
Fortschritte in der Leistungselektronik, insbesondere die Verwendung von Siliziumkarbid (SiC)-Halbleitern, steigern die Effizienz von Wechselrichtern, indem sie sowohl Leistungsverluste als auch den Bedarf an Wärmemanagement reduzieren. Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumbauelementen weisen SiC-Halbleiter mit großer Bandlücke geringere Schaltverluste sowie eine höhere Wärmeleitfähigkeit und Energiedichte auf.
Während moderne Silizium-Wechselrichter einen Wirkungsgrad von 98 % erreichen, erzielen SiC-Wechselrichter über einen weiten Leistungsbereich einen Wirkungsgrad von rund 99 %, was einer Reduzierung der Leistungsverluste um 50 % entspricht.[11] Eine theoretische Steigerung um 1 % der gesamten Solarkapazität der Europäischen Union von 259,99 GW würde die Gesamtleistung um etwa 2,6 GW erhöhen: das entspricht 6,5 Millionen 400-W-Solarmodulen.[12]
Die verbesserte Wärmeleistung von SiC reduziert den Kühlbedarf und ermöglicht es Herstellern, kleinere, leichtere und zuverlässigere Wechselrichter zu entwickeln. Diese Miniaturisierung erlaubt die Installation dezentraler Energiequellen in Wohn- und Gewerbegebieten mit begrenztem Platzangebot. Diese Eigenschaften, kombiniert mit den zunehmenden Skaleneffekten in der SiC-Herstellung, die die Kosten senken, tragen dazu bei, die Entwicklung kleinerer, effizienterer Solarwechselrichter voranzutreiben und möglicherweise eine neue Welle der Solarenergienutzung auszulösen.
Die Entwicklung von BESS
Bei Batteriespeichersystemen (BESS) hat der Wechsel zu Lithium-Eisenphosphat (LFP) die thermische Stabilität und Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien erhöht. Neue modulare Designs, wie z. B. Rack-Batterien, ermöglichen zudem kostengünstigere und skalierbarere Installationen und geben privaten und gewerblichen Nutzern die Möglichkeit, die Systemkapazität optimal an ihren Energiebedarf anzupassen.
Batteriemanagementsysteme integrieren zunehmend künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen, was die Zuverlässigkeit und Effizienz von BESS weiter steigern kann. KI-gestützte Funktionen verbessern die Vorhersage des Batterieverschleißes, optimieren Ladezyklen anhand der Umgebungsbedingungen und steuern den Energiefluss dynamisch, um sowohl die Batterielebensdauer als auch die Leistung zu maximieren.
Zusammenfassend
bieten dezentrale Energiequellen Unternehmen und Haushalten gleichermaßen die Möglichkeit, Energieunabhängigkeit zu erreichen und gleichzeitig ihre Nachhaltigkeit zu verbessern. Angesichts steigenden Energiebedarfs und zunehmender Komplexität nationaler Stromnetze muss der Markt jedoch effiziente und zuverlässige Solar- und Windenergielösungen bereitstellen, die sich nahtlos in Haushalte, Unternehmen und das Stromnetz integrieren lassen.
Quellen
[1]https://www.iea.org/reports/approximately-100-million-households-rely-on-rooftop-solar-pv-by-2030
[2]https://www.sustainabilitybynumbers.com/p/nuclear-construction-time
[3]https://www.theecoexperts.co.uk/solar-panels/complete-guide-solar-farms
[4]https://www.susenergy.co.uk/how-long-does-it-take-to-install-solar-panels.html
[5]https://www.forbes.com/sites/peterdetwiler/2013/07/16/as-solar-panel-efficiencies-keep-improving-its-time-to-adopt-some-new-metrics/
[6]https://corporate.enelx.com/en/question-and-answers/are-solar-panels-energy-efficient
[7]https://www.oxfordpv.com/news/oxford-pv-sets-new-solar-panel-efficiency-world-record-0
[8]https://www.bbc.co.uk/news/articles/c07ngp4yz7jo
[9]https://aerominetechnologies.com/
[10]https://vortexbladeless.com/technology/
[11]https://www.energy.gov/eere/solar/silicon-carbide-solar-energy
[12]https://energy.ec.europa.eu/topics/renewable-energy/solar-energy_en
Über den Autor:
Mark, der zum EMEA-Team von Mouser in Europa gehört, kam Mouser Electronics, nachdem er leitende Marketingpositionen bei RS Components innehatte. Vor seiner Zeit bei RS war Mark acht Jahre bei Texas Instruments im Anwendungssupport und im technischen Vertrieb tätig. Er schloss sein Studium der Elektrotechnik an der Coventry University mit Auszeichnung ab.
