Was nützen uns erneuerbare Energien, wenn wir uns nicht auf sie verlassen können?

Mit der Integration erneuerbarer Energiequellen lassen sich die Treibhausgasemissionen durch einen höheren Anteil an grüner Energie reduzieren, die Auslastung der Anlagen verbessern und die Energieerzeugung robuster und zuverlässiger gestalten. Natürlich brauchen wir mehrere Quellen, um konsistente, hochwertige und kostengünstige Energie zu liefern. Beispiele für diese Quellen sind bekannte erneuerbare Energien wie Windkraft, Solarenergie, Photovoltaik, Brennstoffzellen und Batterien, Zukunftstechnologien wie grüne Wasserstoff-Brennstoffzellen in industriellem Maßstab sowie kreative Einsatzmöglichkeiten für Elektrofahrzeuge wie Vehicle-to-Grid (V2G), das Aufladen mit Solarenergie und Ladespuren auf der Straße.

Viele Anbieter von Energietechnologien behaupten, dass ihre Lösung das Nonplusultra bei den erneuerbaren Energien ist. Aber erst durch die nahtlose Integration all dieser Energiequellen wird eine praktische, weit verbreitete grüne Energie möglich. Da es zunehmend darauf ankommt, die Ressourcen optimal zu nutzen, um mehr Energie mit weniger Aufwand zu erzeugen, ist die Effizienz ein entscheidendes Kriterium für jede Form der Energieerzeugung. Dieser Artikel befasst sich mit drei Wegen zur Leistungsintegration, die eine effiziente Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien ermöglichen: Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ), AC-DC und DC-DC-Umwandlung und schließlich ein Ausbau der Infrastruktur für die Stromübertragung und -verteilung.

Hochspannungs-Gleichstrom (HVDC)

Der Wechselstrom von Nikola Tesla hat sich gegenüber dem Gleichstrom von Thomas Edison durchgesetzt, weil Wechselstromtransformatoren die Möglichkeit boten, die Spannung zu verändern, um Übertragungsverluste zu minimieren (aber nicht zu eliminieren). Damit war Wechselstrom ideal für die dezentrale Energieversorgung. Mit der Umstellung auf erneuerbare Energien, also auf Gleichstromquellen, sind einige der Vorteile des Wechselstroms jedoch nicht mehr gegeben. Zudem nutzen die Entwickler inzwischen moderne Halbleiter und haben neue Umwandlungsverfahren entwickelt, mit denen Gleichstrom zu einer legitimen Option für die Integration erneuerbarer Energien wird.

Wechselstrom ermöglicht zwar eine Spannungsabsenkung bei dezentraler Stromversorgung, verlangt aber auch eine Synchronisierung der Stromquellen, um deren Frequenz anzugleichen. Außerdem verringert die explodierende Zahl intelligenter Geräte, die immer häufiger Gleichstrom benötigen, die Gesamteffizienz von Wechselstrom, da er am Ort der Nutzung in Gleichstrom umgewandelt werden muss. Die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ist zwar mit einem Wirkungsgrad von >90% relativ effizient, aber mehr Umwandlungsschritte bedeuten insgesamt auch mehr Verluste.

Da immer mehr Gleichstromgeräte auf den Markt kommen, kann durch die Erhöhung der Spannung Strom in der Form geliefert werden, die von der Anwendung benötigt wird. Abgesehen von den Vorteilen der verbesserten Steuerung, Umwandlung und der geringeren Übertragungsverluste integriert HVDC erneuerbare Energien aus Wind, Sonne und anderen erneuerbaren Energiequellen und sorgt so für eine höhere Energieeffizienz über große Entfernungen.

Angesichts der zunehmenden Zahl von Elektrofahrzeugen müssen die Stadtplaner die Belastung des Stromnetzes berücksichtigen und den Bedarf an lokalen Hochspannungsladestationen decken. Hinzu kommt, dass Hochspannungsanwendungen mit höheren Betriebstemperaturen verbunden sind. Daher wurden technologische Verbesserungen wie Siliziumkarbid (SiC)-MOSFETs und fortschrittliche IGBTs entwickelt, die der Wärmeableitung beim Schnellladen standhalten, den Wärmeverlust minimieren und die Effizienz erhöhen. Aus diesem Grund ist die HVDC-Technologie eine Grundvoraussetzung für das Level 3 DC-Schnellladen, das entscheidend dazu beiträgt, den Ladevorgang für den Autofahrer zu einem gleichwertigen Erlebnis wie das konventionelle „Tanken“ zu machen.

Bidirektionale AC-DC- und DC-DC-Umwandlung

AC-DC-Umwandlung

Das Internet der Dinge (IoT) macht Gleichstrom zwar immer beliebter, aber die große Mehrheit der dezentralen Stromversorgung erfolgt nach wie vor über Hochspannungs-Wechselstrom (HVAC). Die Integration von erneuerbarem Gleichstrom in das bestehende Wechselstromnetz ist von entscheidender Bedeutung, um die Nachfrage zu decken, die Widerstandsfähigkeit zu erhöhen und die Emissionen zu reduzieren. Daher ist es ein wichtiges Ziel der Leistungsintegration, Möglichkeiten für die Einspeisung und den Bezug von Strom aus erneuerbaren Quellen (und umgekehrt) in das Netz zu schaffen.

Aufgrund der Tatsache, dass erneuerbare Energien und elektronische Geräte mit Gleichstrom betrieben werden, ist die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom entscheidend für die Integration von erneuerbaren Energien in die IoT-Landschaft. Hinzu kommt, dass Gleichstrom auch effizienter ist. Solange die Umwandlungsverluste den Effizienzgewinn nicht übersteigen, wirkt sich die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom positiv auf die Energieeffizienz aus. Diese Technologie zur Leistungsintegration kann Leistung zwischen Wechsel- und Gleichstrom umwandeln, um Nachfragespitzen zu glätten und die schwankende Leistung erneuerbarer Energiequellen zu dämpfen.

Vehicle to Grid (V2G) ist eine weitere revolutionäre Anwendung zur Verbesserung der Energieeffizienz, die durch bidirektionale AC-DC-Wandlung erreicht wird. Die Nutzung der Gleichstrombatterie von Elektrofahrzeugen für die Ausfallsicherheit des Netzes und das Charge-Sharing sind wichtige Schritte auf dem Weg zur Steigerung der Leistungsfähigkeit, denn der Umwandlungsschritt ist der begrenzende Faktor für die Energieeffizienz.

DC-DC-Umwandlung

Die DC-DC-Umwandlung ist von entscheidender Bedeutung, wenn es um die Integration von Strom aus verschiedenen Spannungsquellen für Elektrofahrzeuge geht. Ein Beispiel für eine DC-DC-Anwendung ist die Batteriearchitektur eines Elektrofahrzeugs mit zwei Spannungen (12 V und 48 V). Bidirektionale DC-DC-Wandler können Strom zwischen den Batterien übertragen und erlauben dadurch geringere Kapazitäten bei höherer Effizienz. Neben der verbesserten Effizienz durch optimierte Größen können die Systemhersteller auch geringere Kosten bei gleichzeitig höherer Zuverlässigkeit erzielen.

Infrastruktur für die Stromübertragung und -verteilung

Die Verzögerung bei der Aktualisierung und Verbesserung der Infrastruktur ist ein wesentlicher Faktor für die Verschlechterung der Energieeffizienz. Veraltete Anlagen, Standorte, die Länge der Übertragungswege und die Verteilungswege haben allesamt einen Einfluss darauf, wie effizient die gewonnene erneuerbare Energie in das bestehende Stromnetz integriert werden kann.

Angesichts des oben beschriebenen Anstiegs der Leistungsspitzen durch mehr Elektrofahrzeuge führt eine damit verbundene Erhöhung des Energiebedarfs in der bestehenden Infrastruktur zu Überlastungen und Ausfällen. Die Schaffung und Weiterentwicklung der bestehenden Infrastruktur zur Effizienzoptimierung der neuen erneuerbaren Energiequellen und Übertragungsarten kann einen erheblichen Effekt haben.

Es ist zwar verlockend, den Ausbau der effizientesten Technologie (die wir heute kennen) voranzutreiben, aber Abschaltungen und Neustarts des Netzes führen zu erheblichen Effizienzverlusten und verringern die Resilienz der Netze. Stattdessen sollte die Netzinfrastruktur so optimiert werden, dass die Übertragung und Verteilung verschiedener Energiequellen gewährleistet ist, um Nachfragespitzen zu reduzieren, Schwankungen bei den erneuerbaren Energien auszugleichen und die erhöhte Last durch das Laden von Elektrofahrzeugen aufzufangen.

Fazit

Bei der Erzeugung, der Übertragung, der Verteilung und der Anwendung von Energie in ihrem Lebenszyklus entstehen jeweils hohe Verluste in Bezug auf die Energieeffizienz. HVDC, bidirektionale Umwandlung von AC-DC und DC-DC und Verbesserungen der Infrastruktur tragen zur Effizienz in den ersten drei dieser Schritte bei. Die Hersteller von (End-)Geräten kümmern sich um den vierten Schritt. Die effektive Integration der verschiedenen Stromquellen sorgt für eine höhere Effizienz.

Neben dem entscheidenden Nutzen für das Klima durch die verbesserte Integration der Energiequellen bietet das Streben nach größerer Energieeffizienz jedoch noch zahlreiche weitere Vorteile. So können beispielsweise die Energiekosten gesenkt, die Widerstandsfähigkeit erhöht und die lokale Luftqualität verbessert werden, wenn man sich von Energieträgern auf Kohlenstoffbasis mit einem Wirkungsgrad von ca. 25 bis 30 % wegbewegt und zu einem optimierten System mit integrierten erneuerbaren Energien übergeht.