Mikrogrids, Inselsysteme und Energiezellen

Die Seethalerhütte liegt auf 2.740 m und ist damit die höchstgelegene Schutzhütte Oberösterreichs. Wer hier nach langer Wanderung von der Pächterfamilie eine warme Mahlzeit erhält und den Ausblick auf den Großglockner genießt, wird keine Strommasten sehen. Die Schutzhütten der Alpenvereine sind klassische Anwendungsfälle eines sogenannten Inselbetriebes.

Tatsächlich begann die elektrische Energieversorgung mit dezentralen und voneinander isolierten Inselnetzen. Elektrische Anlagen benötigten vor Ort zum Betrieb der Generatoren Dampfmaschinen oder natürliche Energiequellen wie Wind oder Wasser.

Die erste elektrisierte Galvanisierfabrik nahm 1844 in Birmingham ihren Betrieb auf. In den Folgejahrzehnten wurden vor allem Beleuchtungen sowie in Einzelfällen industrielle Prozesse schrittweise elektrifiziert. Die Leistungen der Generatoren lagen dabei im unteren Kilowattbereich und waren in der Regel in Gleichstromtechnik ausgeführt.

Um die Jahrhundertwende ermöglichten Fortschritte in Turbinen- und Generatortechnik den Bau großer fossiler Kraftwerke mit Leistungen im Bereich von einigen hundert Kilowatt bis hin zu Megawatt. Wasserkraftwerke brachten große Nutzleistungen ohne dauerhafte Brennstoffkosten, sodass hier bis heute wichtige elektrische Schlüsselpunkte sowie energieintensive Industrien zu finden sind. Neue Anwendungsfelder und ein breiterer industrieller Einsatz wurden möglich. Die Verteilung von Elektrizität über größere Distanzen gewann an Bedeutung. In der Folge setzte sich weltweit die Wechselstromtechnik wegen ihrer geringeren Übertragungsverluste durch.

Schrittweiser Wandel zum Verbundsystem

Die Elektrifizierung und Energieverteilung in großem Maßstab ging mit erheblichen Investitionskosten und massivem logistischen und rechtlichen Aufwand einher. So war die Leitungsführung immer mit Verhandlungen mit Grundbesitzern verbunden. Oftmals wurde die elektrische Infrastruktur von Unternehmern aufgebaut und dann an Städte und Gemeinden betriebsfertig übergeben. Damit stieg über die Jahrzehnte der Druck auf lokal organisierte Energieversorgungen. So waren im Norden Deutschlands Einzelhöfe, aber auch ganze Landstriche als Inselsysteme mit sogenannten Texas-Windrädern (auch Western-Windrad, Texasrad oder Western-Windmühle genannt) elektrifiziert (Bild). Nicht immer freiwillig wurden diese lokalen Lösungen zugunsten der hoch vernetzten, zentral gesteuerten Energieversorgung, wie wir sie heute kennen, aufgegeben.

Inselnetze, Mikrogrids und Energiezellen

In jüngster Zeit wurden Inselnetze fast nur in besonderen Lagen, wie etwa sehr abgelegenen Gebieten, eingesetzt. So war Helgoland noch bis zur Legung des Seekabels 2009 ein Inselnetz. Andere Anwendungen finden sich in Entwicklungsländern oder im Gebirge bei Alphütten der Alpenvereine. Grundsätzlich sind isolierte, energieautarke und geschlossene Systeme Inselnetze. Beispiele umfassen Gebäude, den Bahnverkehr oder allgemein das Transportwesen. Klassische energieautarke Insellösungen behandeln Wärme, Mobilität und Elektrizität getrennt. So wird Strom etwa durch die Nutzung von Wind, Sonne, Biomasse und Wasser gewonnen. Brauchwasserwärme stammt aus solarthermischen Anlagen, die teilweise mit Holz- oder Pelletöfen gestützt werden. Mobilität wird zumeist nicht abgedeckt. Ergänzend wird häufig ein Dieselgenerator eingesetzt.

Aus Kostensicht hat dieses klassische Konzept Schwachstellen. So sind viele Komponenten nötig, um eine dauerhafte Autarkie zu ermöglichen. Eine gesamthafte Optimierung des Energiebedarfs aus Wärme, Strom und Transport ist in der Regel nicht vorhanden, sodass die unvermeidbaren Wandlungsverluste der einzelnen Energieträger ungenutzt bleiben. Entsprechend sinkt die Gesamteffizienz des Systems, und der Kostenfaktor steigt. Oft wird deshalb auf Komfort verzichtet, sodass bestimmte elektrische Anlagen wie Wäschetrockner nicht vorhanden sind oder nur zu energiereichen Zeiten genutzt werden können. Auch dies haftet dem öffentlichen Bild von Inselanlagen bis heute an.

Systeme, die nur bei Bedarf getrennt vom Verbundnetz betrieben werden, werden als Mikrogrids bezeichnet. Dieses Systeme sind inselfähig, laufen aber im Regelbetrieb koordiniert mit dem Verbundnetz und speisen zumeist Energie ein. Der Grad der maximal nötigen Autarkiedauer im Falle eines Inselbetriebes entscheidet hier maßgeblich über die Wahl von Speichern, Generatoren und Verbrauchern und schlussendlich über Aufwand und Kosten bei Installation und Betrieb.

Das Konzept von Mikrogrids entstand vor rund 30 Jahren in den USA und bezog sich rein auf Elektrizität. Die technologischen Fortschritte und steigende Massentauglichkeit von Lösungen im Bereich erneuerbarer Energien und der dazugehörigen Steuer- und Speicherlösungen haben massiv zu deren Wettbewerbsfähigkeit beigetragen. Zudem gewinnen Funktionen wie Netzstabilisierung, Systemresilienz und Schwarzstartfähigkeit von Mikrogrids immer mehr an Bedeutung. Der Grad der Vernetzung des europäischen Verbundsystems, die veränderte geopolitische Lage und klimatische Extremereignisse bringen die Vorsorge für den Fall eines Blackouts verstärkt in den Fokus. Im Falle eines Ausfalls können Mikrogrids den Betrieb essentieller Institutionen aufrecht erhalten sowie gegebenenfalls bei einer strategischen Verteilung mehrerer Mikrogrids den Wiederaufbau des elektrischen Verbundsystems stützen und entlasten [1].

Autorin: Dr.-Ing. Monika Freunek

Quellen

[1] Freunek, M.: Netz zur Verteilung elektrischer Energie und Verfahren zur Strukturierung eines Netzes, Patent CH 717615, 03. 07. 2020, (BKW Energie AG).

Der vollständige Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.