Microgrid: Was ist das, wie funktioniert es und seine Eigenschaften

In den letzten Jahren haben Microgrids zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen, dank ihrer Fähigkeit, eine effiziente, nachhaltige und zuverlässige Energieversorgung zu gewährleisten. Eine Microgrid, oder Mikronetz, ist ein lokales Stromnetz, das in der Lage ist, Energie zu erzeugen, zu verteilen und zu speichern, um ein abgegrenztes Gebiet zu versorgen, auch unabhängig vom Hauptnetz.

Es handelt sich um ein Stromnetz in kleinerem Maßstab, das Endverbraucher mit einer lokalen Energiequelle verbindet. Es ist mit Speichersystemen ausgestattet, die es ermöglichen, die erzeugte Energie zu speichern und sie bei Bedarf verfügbar zu machen.

Microgrid und Energiegemeinschaften sind zwei unterschiedliche, aber miteinander verbundene Konzepte. Dank dieser Technologien können die Mitglieder der Energiegemeinschaften den Verbrauch, die Produktion und die Verteilung der Energie in Echtzeit überwachen. Um eine Machbarkeitsstudie für eine erneuerbare Energiegemeinschaft durchzuführen, können Sie die Photovoltaik-Planungssoftware verwenden, die es Ihnen ermöglicht, die verschiedenen Erzeuger und Verbraucher der CER (Erneuerbare Energiegemeinschaften) einzugeben und die möglichen Anreize zu berechnen.

Was ist eine Microgrid?

Eine Microgrid oder Mikronetz ist ein autonomes Stromnetz, das es ermöglicht, Strom unabhängig, lokalisiert zu erzeugen und ihn zu nutzen, wenn er am dringendsten benötigt wird. Ihr Hauptmerkmal ist die Autonomie, da sie unabhängig vom öffentlichen Netz sowohl vorübergehend als auch kontinuierlich betrieben werden kann. Darüber hinaus ist sie so konzipiert, dass sie ein abgegrenztes Gebiet versorgt, wie ein einzelnes Gebäude oder einen Komplex von Einrichtungen, und eine optimierte Energienutzung gewährleistet.

Es handelt sich um ein lokales Verteilungssystem im kleinen Maßstab, das aus Generatoren und Lasten besteht und zwei Betriebsarten haben kann: autonom (isoliert), also vollständig vom Hauptverteilungssystem getrennt, oder nicht autonom, also nicht mit diesem verbunden.

Was sind die Hauptkomponenten einer Microgrid?

Ein Mikronetzsystem besteht aus verschiedenen Schlüsselkomponenten, die zusammenarbeiten, um Energie zu erzeugen:

• Energieerzeugungsquellen (lokale Erzeugung): dies ist die Quelle, aus der der Strom stammt, in einer Menge, die den Bedarf des versorgten Gebiets deckt. In vielen Microgrids sind die primären Energiequellen Solarpanels, aber auch andere Quellen wie Windturbinen, Dieselgeneratoren oder kleine Wasserkraftwerke können genutzt werden;
• Energiespeichersystem: ohne das wäre ein Mikronetz nicht zuverlässig. Es speichert Energie während Zeiten hoher Produktion und gibt sie ab, wenn die Nachfrage hoch ist oder die Produktion niedrig;
• Verteilungsnetz: dies stellt die Gesamtheit der Kabel, Transformatoren und Schalter dar, die den Strom von der Quelle zu den Verbrauchern transportieren. In einem Mikronetz ist das Verteilungssystem kleiner und lokalisierter, was es schneller und einfacher zu verwalten macht;
• Steuerungssystem: ermöglicht die Verwaltung des Energieflusses, ob die Solarenergie genutzt, auf die Batterien zugegriffen oder auf Reservequellen umgeschaltet wird, je nach Situation;
• Lasten: stellen die Gesamtheit der Geräte und/oder Orte dar, die Strom nutzen. In einem Solar-Mikronetz können die Lasten Wohnhäuser, Schulen, Krankenhäuser, Geschäfte oder Industrien umfassen.

Komponenten eines Mikronetzes

Wie funktioniert ein Microgrid?

Traditionelle Stromnetze transportieren Energie von den Produktionsanlagen zu den Haushalten und Gebäuden über eine Infrastruktur aus unterirdischen Kabeln oder Freileitungen über lange Strecken. Microgrids funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip, jedoch in kleinerem und dezentralisiertem Maßstab, indem sie verteilte Energiequellen, wie Generatoren, Anlagen aus erneuerbaren Quellen (zum Beispiel Solarpanels) und Speichersysteme, direkt mit den lokalen Nutzern verbinden, zu denen Haushalte, Gemeinschaften, Unternehmen und Industrien in der unmittelbaren Umgebung gehören können.

Ein charakteristisches Merkmal von Microgrids ist ihre Fähigkeit, unabhängig vom Hauptstromnetz zu arbeiten, wodurch die Kontinuität des Dienstes auch bei einer Trennung gewährleistet wird. Die Verwaltung dieser Systeme erfolgt durch fortschrittliche Technologien, die in der Lage sind, die Energieversorgung und -Produktion dynamisch an die Nachfrage anzupassen. Darüber hinaus umfassen Microgrids alle erforderlichen Hardware-Infrastrukturen für die effiziente Verteilung der selbstproduzierten Energie, was sie zu einer vielseitigen und widerstandsfähigen Lösung für das Management lokaler Energie macht.

Das Funktionsschema eines Microgrids gliedert sich in 5 Phasen:

1. Stromerzeugung: Ohne Stromproduktion kann das System nicht funktionieren. Dies geschieht oft durch Solarpanels, die das Sonnenlicht einfangen und elektrischen Strom erzeugen; man kann zum Beispiel an netzgekoppelte Photovoltaikanlagen denken;
2. Bereitstellung von Energie an die Nutzer: Nachdem die Energie produziert wurde, muss sie sicher an alle Nutzer verteilt werden. Dies wird durch lokale Verteilungsleitungen innerhalb des Microgrids ermöglicht, die mit Haushalten, Büros, Krankenhäusern und anderen Orten verbunden sind, je nachdem, wo das Microgrid installiert ist;
3. Sammlung von überschüssiger Energie: Die erzeugte überschüssige Energie wird nicht verschwendet, sondern gespeichert, um später verwendet zu werden, sodass sie je nach Veränderung der Energienachfrage verfügbar ist. Dies wird durch die Anwesenheit von Speicherkapazitäten ermöglicht;
4. Nutzung der gespeicherten Energie: Die in den Speicherkapazitäten gespeicherte Energie wird zu einer Reservequelle, die jederzeit genutzt werden kann;
5. Systemkontrolle: Die Verwaltung eines Microgrids steht stets unter Kontrolle durch ein Gerät namens Microgrid Controller. Dieser überwacht ständig die Produktion, Speicherung und Nutzung von Elektrizität.

Kontroll- und Energiemanagementsysteme für Microgrids

Ein Microgrid besteht aus einer Reihe von Geräten wie Photovoltaik, Speicherkapazitäten und anderen Systemen, weshalb es wichtig ist, dass es über ein angemessenes Kontroll- und Energiemanagementsystem verfügt. Dieses hat das Ziel, den Betriebszustand und die Gesundheitsbedingungen der Photovoltaikanlagen, der Energiespeicher und anderer Systeme des Microgrids zu überwachen und fungiert als umfassendes Managementsystem, das Überwachung und Energiemanagement integriert.

Dieses System zielt auf eine wirtschaftliche Optimierung ab, die auf Sicherheit und Stabilität basiert, und fördert:

• die Nutzung erneuerbarer Energien;
• die Reduzierung von Leistungsspitzen;
• die Glättung der Last;
• die Verbesserung der Betriebssicherheit des Netzes und der Betriebseffizienz der Geräte;
• die Senkung der Energiekosten.

Vorteile von Microgrids für die Nutzer und das Netz

Microgrids bieten zahlreiche Vorteile für das elektrische System, indem sie die Effizienz der Versorgung verbessern und die Nutzung der Energiequellen optimieren. Dank ihrer Fähigkeit, eine Gruppe von Nutzern zu versorgen, garantieren sie eine zuverlässigere und auf die Bedürfnisse der Verbraucher zugeschnittene Versorgung. Darüber hinaus senken sie die Energiekosten, da die Energie nur dann vom Hauptnetz bezogen wird, wenn die lokale Produktion nicht ausreicht, um die Nachfrage zu decken.

Ein entscheidender Aspekt ist die Möglichkeit, überschüssige Energie umzuleiten, was dazu beiträgt, Abfälle zu reduzieren und die Gesamteffizienz des Systems zu verbessern.

Die Auswirkungen von Microgrids sind besonders relevant in Gebieten mit begrenzten Verteilungsinfrastrukturen oder wo die Energietransportkosten hoch sind. Die Schaffung von Netzen, die aus mehreren Microgrids bestehen, ermöglicht die Realisierung von Energiesystemen, die unabhängig vom zentralen Netz sind, wodurch die Selbstversorgung und die Resilienz des Systems erhöht werden, vorausgesetzt, es wird ein hohes Maß an operativer Zuverlässigkeit gewährleistet.

Einer der bedeutendsten Vorteile zeigt sich im Falle von Ausfällen im öffentlichen Netz: ein Microgrid, ausgestattet mit geeigneten erneuerbaren Energiequellen und Speichersystemen, kann weiterhin Energie an die Nutzer liefern, auch im Inselbetrieb, wodurch eine höhere Kontinuität des Dienstes sichergestellt und die Gesamtreliabilität des elektrischen Systems verbessert wird.

Die Vorteile von Microgrids beschränken sich nicht nur auf die Endnutzer, sondern erstrecken sich auch auf die Betreiber und Energieversorger, wodurch neue Möglichkeiten im Sektor geschaffen werden. Im Einzelnen:

• Entwicklung neuer Märkte für die Planung, Umsetzung und Verwaltung von Microgrids;
• Verbesserung der Spannungsregelung, wodurch das Risiko von Anomalien in der Verteilung verringert wird;
• Öffnung neuer Marktchancen in der Bereitstellung von Brennstoffen und Energiequellen für die dezentrale Erzeugung.

Zusammenfassend können wir die Vorteile in folgende Kategorien unterteilen:

• wirtschaftliche Aspekte:
  • Reduzierung der Kosten/Tarife für die Endverbraucher;
  • Steigerung des Umsatzes für die Mikroerzeugungen.
• technische Aspekte:
  • Reduzierung der Energieverluste;
  • Reduzierung der Spannungsschwankungen;
  • Reduzierung der Leistungsspitzen bei den Lasten;
  • Verbesserung der Zuverlässigkeit.
• ökologische und soziale Aspekte:
  • Tendenz zur Nutzung von erneuerbaren Brennstoffen mit niedrigem Emissionsgehalt, die von Mikroerzeugungen innerhalb des Microgrids verwendet werden;
  • Einführung effizienterer Energietechnologien wie die Kraft-Wärme-Kopplung;
  • Bewusstseinsbildung der Bürger zur Förderung und Anreizung von Energieeinsparungen und damit zur Reduzierung der Emissionen;
  • Schaffung neuer Forschungs- und Arbeitsmöglichkeiten;
  • Bereitstellung eines geeigneten Modells für die Elektrifizierung ländlicher oder unterentwickelter Gebiete.

Anwendungen von Microgrids: wo und wann sie eingesetzt werden sollten

Microgrids werden häufig in Gebieten mit geringer Netzstabilität eingesetzt, wo extreme Wetterereignisse, veraltete Infrastrukturen oder Überlastungen häufige Dienstunterbrechungen verursachen können. Darüber hinaus bedienen sie viele Sektoren, wie:

• Industrien, Produktionsanlagen wie Industrieparks, Bergbauoperationen und abgelegene Ölfelder verlassen sich auf Microgrids. Diese Lösungen bieten eine konstante und unterbrechungsfreie Stromversorgung. Sie können die Kosten für industrielle Stromausfälle erheblich senken. Sie bieten kritische Backup-Lösungen in anspruchsvollen Betriebsumgebungen;
• Gesundheitswesen, Microgrid gewährleisten null Energieunterbrechungen in Krankenhäusern, schützen lebenswichtige medizinische Geräte und Patientenversorgungsdienste und stellen sicher, dass kritische medizinische Infrastrukturen während Notfällen betriebsbereit bleiben;
• Rechenzentren, nutzen Solar- und Speichersysteme, um die Energiekosten zu senken, die Nachhaltigkeit zu verbessern und angemessen auf ihren globalen Energieverbrauch zu reagieren, der immer weiter steigt;
• Abgelegene Gebiete, isolierte Gemeinschaften ohne Zugang zum traditionellen Netz können zuverlässige Elektrizität durch Microgrid-Technologien erhalten. Millionen von Menschen weltweit haben keinen Zugang zu Elektrizität, und Microgrid bieten eine nachhaltige Lösung;
• Ladestationen für Elektrofahrzeuge, Microgrid optimieren die Energieverteilung und schaffen effiziente, optimierte und nachhaltige Ladennetze. Mit dem prognostizierten Anstieg der globalen Verkaufszahlen von Elektrofahrzeugen können Microgrids die schnelle Entwicklung der Ladeinfrastruktur unterstützen.

Beispiele für Microgrid in Italien

In Italien entstehen Microgrid als innovative Lösungen für das effiziente und nachhaltige Energiemanagement. Hier sind einige Beispiele:

• Universitätscampus Savona: Auf diesem Campus wurde ein fortschrittliches Energie-Microgrid realisiert, das verschiedene Technologien integriert, darunter das Internet der Dinge, Big Data Analytics, maschinelles Lernen und Automatisierung. Ziel ist es, Technologien zu entwickeln und zu validieren, die die Resilienz und Zuverlässigkeit von Energiesystemen gewährleisten;
• Inseln Lampedusa und Favignana: Diese Inseln nehmen am Blorin-Projekt teil, das eine auf Blockchain-Technologie basierende Plattform nutzt, um intelligente Gemeinschaften zu schaffen. Die Plattform fördert die Verbreitung erneuerbarer Energien und verwaltet den Energieaustausch zwischen lokalen Prosumenten, wodurch die Schaffung intelligenter Solar-Communities gefördert wird;
• Serrenti, Sardinien: Die Gemeinde Serrenti hat Projekte zur Schaffung eines intelligenten Microgrids initiiert, das grüne Energie aus Photovoltaikanlagen über Microgrids zwischen öffentlichen Gebäuden verteilt. Dieser Ansatz zielt darauf ab, die Energieeffizienz zu verbessern und die Nutzung erneuerbarer Quellen auf kommunaler Ebene zu fördern;
• Siemens-Standort Mailand: Siemens hat ein integriertes Microgrid an seinem Standort in Mailand implementiert, das aus Photovoltaikgeneratoren, Speichersystemen, Klimaanlagen und Ladestationen für Elektrofahrzeuge besteht. Alles wird von fortschrittlicher Cloud-Software zur Verwaltung intelligenter Gebäude gesteuert, was zur Zielsetzung des Unternehmens beiträgt, die CO₂-Emissionen zu reduzieren;
• Sardegna Ricerche: Die regionale Agentur untersucht die Produktion von Biogas und grünem Wasserstoff und verwaltet die erzeugte Energie durch Microgrid. Ziel ist es, ein replizierbares Modell für kleine und mittlere Unternehmen sowie Gemeinden zu schaffen und die nachhaltige Energiewende zu fördern.

Diese Beispiele verdeutlichen das Engagement Italiens für die Entwicklung und Implementierung von Microgrids zur Verbesserung der Energieeffizienz, zur Förderung der Nutzung erneuerbarer Quellen und zur Gewährleistung einer höheren Resilienz der lokalen Stromnetze.

Microgrid und Smart Grid: Unterschiede

Die Smart Grid, oder intelligente Netz, ist ein fortschrittliches System von Stromnetzen und Technologien, das es ermöglicht, die Verteilung von elektrischer Energie effizient und sicher zu überwachen und zu verwalten, indem es die Produktionsquellen mit den Nutzern der Energiegemeinschaften verbindet.

Die Smart Grids sind darauf ausgelegt, die Effizienz zu optimieren, die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Stromsystems zu erhöhen, die Kosten und Umweltauswirkungen zu reduzieren, und unterstützen somit den Übergang zu einer nachhaltigeren und resilienteren Energiezukunft.

Die Microgrids hingegen sind lokale Netze, die der Produktion und Verteilung von Energie gewidmet sind und in der Lage sind, autonom zu arbeiten, wenn sie von dem Hauptstromnetz isoliert sind, wie im Falle eines Blackouts. Diese kleinen Netze können sowohl im Inselbetrieb als auch verbunden mit dem nationalen Stromnetz arbeiten und Energie an Gruppen von lokalen Nutzern, wie Krankenhäuser, Wohnanlagen, Unternehmen oder Haushalte, über erneuerbare Energiequellen wie Photovoltaikanlagen liefern.

Oft sind die Microgrids mit Speichersystemen ausgestattet, wie Batterien, die es ermöglichen, die erzeugte Energie zu speichern und den Mitgliedern der Energiegemeinschaft zur Verfügung zu stellen. Diese Speicherkapazität unterscheidet die Microgrids deutlich von den Smart Grids.

Mit Solarenergie betriebene Microgrids: Integration mit erneuerbaren Energien

Ein auf Solarenergie basierendes Microgrid nutzt Photovoltaikanlagen, um Sonnenstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln, die an lokale Nutzer verteilt oder in Speichersystemen für eine spätere Nutzung gespeichert werden kann. Diese Integration ermöglicht es, den Eigenverbrauch zu optimieren und die Gesamteffizienz des Energiesystems zu verbessern.

Ein konkretes Beispiel ist ABB, ein multinationales Unternehmen der Elektrotechnik mit mehreren Standorten auch in Italien. An den Standorten Santa Palomba (Rom) und Frosinone hat die Einführung von Lösungen auf Basis von Microgrid es ermöglicht, die Produktion aus solarer Quelle effektiv zu integrieren und den Gesamtenergieverbrauch zu senken.

Dank dieser Lösungen haben die Standorte eine Reduzierung des Verbrauchs um 25 % verzeichnet, indem die Solarenergie als primäre Quelle genutzt und die Effizienz sowie die Nachhaltigkeit des Energiesystems verbessert wurde.

Herausforderungen der Microgrids und zukünftige Perspektiven

Heute bringt die Realisierung eines Microgrids noch einige Herausforderungen mit sich:

• Investitionskosten, die den Kauf von Erzeugungsanlagen, Speichersystemen und intelligenten Steuerungssystemen umfassen. Die Anfangskosten können eine erhebliche finanzielle Belastung für einige Gemeinschaften oder Unternehmen darstellen, obwohl der langfristige Betrieb Vorteile bringen kann;
• Integrations- und Standardisierungsprobleme, da Microgrids verschiedene Lösungen kombinieren, wie Solar- und Windenergie, Speichersysteme und intelligente Managementplattformen; die Gewährleistung der vollständigen Kompatibilität und Interoperabilität zwischen diesen Technologien stellt eine technische Herausforderung dar, auch aufgrund des Mangels an gemeinsamen Standards und Protokollen;
• Entwickelnder regulatorischer Rahmen, da die Energiegesetzgebung hauptsächlich für traditionelle Stromnetze entwickelt wurde und sich erst kürzlich an dezentrale Modelle wie Microgrids anpasst. Infolgedessen sind einige Aspekte ihrer Implementierung, Verwaltung und Integration noch nicht vollständig definiert.

Die Microgrids transformieren die Landschaft der Energieversorgung. Sie verbessern nicht nur die Energieeffizienz und senken die Kosten, sondern erhöhen auch signifikant die Zuverlässigkeit und Resilienz der Versorgungssysteme.

Obwohl sie in der Regel für kleine Bereiche oder spezifische Nutzergruppen konzipiert sind, könnte dieses Modell der Stromversorgung im kleinen Maßstab nicht den Bedürfnissen größerer Regionen oder Gemeinschaften gerecht werden, und daher bleiben die Skalierbarkeit und Nachhaltigkeit der Microgrids Fragen, die weiterer Vertiefung bedürfen.

FAQ Microgrid

Was ist ein Microgrid?

Ein Microgrid, oder Mikronetz, ist ein lokales Stromnetz in kleinem Maßstab, das es ermöglicht, Energie zu erzeugen, zu verteilen und zu verwalten, um ein bestimmtes Gebiet zu versorgen, auch unabhängig vom Hauptstromnetz.

Wie funktioniert ein Mikronetz?

Ein Mikronetz erzeugt Energie durch lokale Quellen (wie Photovoltaik), verteilt sie an die Nutzer über ein internes Netz und speichert sie, falls vorhanden, in Speichersystemen, um sie bei Bedarf zu nutzen. Alles wird von einem Kontrollsystem verwaltet, das Produktion, Verbrauch und Verteilung regelt.

Was sind die Hauptkomponenten eines Microgrid?

Ein Mikronetz besteht aus:

• Energieerzeugungsquellen (z.B. Photovoltaikanlagen oder Windkraftanlagen);
• Speichersystemen (wie Batterien);
• lokalem Verteilnetz;
• Kontrollsystem;
• Lasten, d.h. den Endnutzern, die Energie verbrauchen.

Kann ein Mikronetz ohne Anschluss an das Stromnetz funktionieren?

Ja, ein Mikronetz kann im Inselbetrieb arbeiten und weiterhin Energie liefern, auch wenn es vom Hauptnetz getrennt ist, beispielsweise während eines Blackouts.

Welche Vorteile bieten Microgrids?

Mikronetze ermöglichen:

• die Verbesserung der Zuverlässigkeit der Energieversorgung;
• die Senkung der Beschaffungskosten;
• die Optimierung der Nutzung von Energiequellen;
• die Erhöhung der Selbstversorgung und Resilienz des Systems;
• die Förderung der Nutzung erneuerbarer Quellen.

Wo werden Mikronetze eingesetzt?

Mikronetze finden Anwendung in verschiedenen Kontexten, darunter:

• Industrien und Produktionsanlagen;
• Krankenhäuser und Gesundheitseinrichtungen;
• Rechenzentren;
• abgelegene Gebiete, die nicht mit dem traditionellen Netz verbunden sind;
• Infrastrukturen für das Laden von Elektrofahrzeugen.

Was ist der Unterschied zwischen Microgrid und Smart Grid?

Microgrid sind lokale Netze, die Energie in einem begrenzten Bereich erzeugen und verteilen und auch autonom arbeiten können. Smart Grids hingegen sind umfassendere Systeme, die fortschrittliche Technologien nutzen, um das gesamte Stromnetz effizient zu überwachen und zu verwalten.

Was sind die wichtigsten Herausforderungen von Mikronetzen?

Die wichtigsten Herausforderungen betreffen:

• die anfänglichen Investitionskosten;
• die Komplexität der Integration verschiedener Technologien;
• das Fehlen spezifischer Standards und normativer Referenzen.

Sind Microgrids eine nachhaltige Lösung?

Ja, Mikronetze fördern die Nutzung erneuerbarer Energien, verbessern die Energieeffizienz und tragen zur Reduzierung der Emissionen bei, indem sie den Übergang zu nachhaltigeren Energiesystemen unterstützen.