Virtuelle Kraftwerke. Ist es möglich, die Quellen "grüner" Energie zu verwalten?

Die Menschheit erhöht ihren Verbrauch und ihre Stromerzeugung, wobei sie erneuerbaren oder "grünen" Quellen besondere Aufmerksamkeit widmet. Laut dem Forschungsunternehmen REN21 betrug der Anteil erneuerbarer Energien an der Weltproduktion im Jahr 2017 10,4%. Darüber hinaus ist dieser Anteil in fortgeschrittenen Ländern höher: 2017 erhielt die EU 17,5% der Energie aus erneuerbaren Quellen, und das Ziel für das Jahr 2020 liegt bei 20%. Mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien an der Entwicklung steigt die Bedeutung der damit verbundenen Probleme. Was sind diese Probleme, wie lösen sie virtuelle Kraftwerke und worum geht es? Wir erzählen.

Was ist los mit grüner Energie?

Im Allgemeinen ist alles so. Auf der Enerdata-Website finden Sie Daten zur Energieerzeugung für die Jahre 1990-2017 nach Ländern. Die Grafiken zeigen, dass die meisten Länder den Anteil erneuerbarer Energiequellen erhöhen. Unsere Zukunft ist unweigerlich mit alternativer Energie verbunden, und für die fortschrittlichsten Länder und einzelne Branchen in ihnen ist dies bereits die Gegenwart. Daher fahren die Niederländischen Eisenbahnen seit 2017 ausschließlich mit Strom aus Windmühlen. Und so befördern sie jährlich etwa 320 Millionen Passagiere, was 18,5-mal mehr ist als die Gesamtbevölkerung des Landes (zum Vergleich: Die Russischen Eisenbahnen befördern jährlich etwa 1 Milliarde Passagiere, dh 7-8 russische Einwohner). Ein weiteres Beispiel ist Norwegen: Mehr als 97,8% der in diesem Land erzeugten Energie wird aus alternativen Quellen erzeugt.


Einige europäische Länder haben die Ziele zur Erhöhung des Anteils von Strom aus erneuerbaren Quellen nicht nur erreicht, sondern auch übertroffen. Die Führer sind Schweden, Finnland und Lettland. Quelle: Eurostat

Das heißt, alles scheint großartig zu sein, aber es gibt immer noch Schwierigkeiten: Trotz aller Vorteile kann alternative Energie keine konstante Stromerzeugung liefern. Manchmal gibt es weniger Strom als die Verbraucher benötigen. Im Gegenteil, manchmal ist dies auch ein Problem, da der Stromüberschuss irgendwo platziert werden muss. Sonnenkollektoren arbeiten nur tagsüber, ihre Effizienz hängt von der Jahreszeit und den Wetterbedingungen ab. Windparks hängen nicht nur vom Vorhandensein von Wind ab, sondern hören beispielsweise auch während des saisonalen Vogelfluges auf zu arbeiten. Gezeitenkraftwerke arbeiten während Ebbe und Flut mehrere Stunden am Tag. Dies ist das Hauptproblem und der Hauptunterschied zu Kern- und Wärmekraftwerken. Und je mehr Generationen aus grünen Quellen stammen, desto wichtiger sind diese Probleme. Auch erneuerbare Energiequellen sind oft weit voneinander entfernt, was eine komplexere Infrastruktur erfordert als bei der zentralisierten Erzeugung einer vergleichbaren Energiemenge.

Was tun?

Um diese Probleme zu lösen, wurden virtuelle Kraftwerke erfunden (Windpark, sie sind auch VPP - Virtual Power Plants). Sogenannte Hardware- und Softwaresysteme, mit denen Sie eine Vielzahl unterschiedlicher Anlagen zur Energieerzeugung verwalten können, als wäre es ein Kraftwerk. Mit maschinellen Lerntechnologien erstellte Software verteilt Strom unter den Verbrauchern und reserviert Überschüsse, um die täglichen Abschwünge auszugleichen. Und hier sind die im Code eingeführten Elemente der selbstlernenden KI besonders wichtig, die lernen, Produktionsrückgänge und Verbrauchsspitzen vorherzusagen und so die Bewegung von Energie innerhalb des Systems zu optimieren.

Einfach ausgedrückt ist ein virtuelles Kraftwerk ein Austausch von Verkäufern und Käufern von Elektrizität, der Angebot und Nachfrage nach Energie in Einklang bringt. Infolgedessen verbrauchen alle Stromverbraucher grüne Energie, als ob sie von einem klassischen Kernkraftwerk oder Wärmekraftwerk erzeugt würde. Das heißt, der Strom im Netzwerk ist immer vorhanden und die Spannung im Netzwerk ist konstant. Und Energieerzeuger werden garantiert ihre Produkte verkaufen.

Ein virtuelles Kraftwerk ist immer ein Einzelprojekt, da die Struktur erneuerbarer Energiequellen und ihrer Verbraucher immer einzigartig ist und von den geografischen und demografischen Merkmalen der Region abhängt. In jedem Windpark gibt es jedoch die folgenden Elemente:

1. Energiequellen (erneuerbar und traditionell),
2. Stromverbraucher (Unternehmen und Bevölkerung),
3. Energiespeichersystem (Batterien),
4. IoT-Sensoren zum Sammeln von Informationen und Verwalten der Arbeit von Verbrauchern,
5. Energieverwaltungssoftware.

Virtuelle Kraftwerke können problemlos auf die globale planetare Infrastruktur skaliert werden, ganz zu schweigen von den Bedürfnissen eines einzelnen Staates. Quelle: Toshiba

In Stromversorgungssystemen, in denen Strom durch Solar- und Windkraftanlagen erzeugt und Energie ohne den Einsatz virtueller Kraftwerke verteilt wird, muss Energie reserviert werden, und mindestens 13-15% der erzeugten und reservierten Energie werden normalerweise nicht verwendet. Infolgedessen ist die Stromerzeugung weniger rentabel. In Systemen mit virtuellen Kraftwerken ist die Menge an unnötigen Reserven viel geringer. Idealerweise sollte es im Allgemeinen gegen Null tendieren.

Außerdem können Softwarealgorithmen für Windkraftanlagen den Energieverbrauch im System senken, indem sie Verluste bei der Energieübertragung minimieren und mit Sensoren des Internet der Dinge gut arbeiten. Mit ihrer Hilfe ist es also möglich, die Heizung im Winter und die Klimaanlagen im Sommer zu regulieren und bei Erreichen der eingestellten Temperaturen Energie zu sparen. Und Sie können die Belüftung des Gebäudes an die Anzahl der Personen im Gebäude binden, sodass es nur während der Arbeitszeit maximal funktioniert.

Die Aussichten für den virtuellen Kraftwerksmarkt zeigen sich in Finanzinvestitionen. Laut einem Bericht von Markets and Markets belief sich der weltweite Windparkmarkt 2016 auf 193,4 Millionen US-Dollar, und die Prognose bis 2021 liegt bei 709 Millionen US-Dollar. In absoluten Zahlen ist dies noch ein wenig, aber die Dynamik ist ziemlich eindeutig, und wenn dann die Technologien eingeführt werden und das Internet der Dinge weiterentwickelt wird, erwartet uns ein Durchbruch.

Bisher werden alle großen Windparkprojekte entweder umgesetzt oder arbeiten bereits im Testmodus. Eines der weltweit ersten praktischen Beispiele für die Nutzung von Windparks war das PowerShift Atlantic-Projekt, das 2010-2015 in der kanadischen Provinz New Brunswick und Umgebung durchgeführt wurde. Er kombinierte die Stromversorgungssysteme von New Brunswick, Nova Scotia und Prince Edward Island, die sowohl aus "fossilen" als auch aus erneuerbaren Energiequellen bestehen. Durch den Start des virtuellen Kraftwerks wurden Spitzenlasten im Netz nahezu vollständig ausgeglichen.



Die natürlichen Bedingungen im Südosten Kanadas sind günstig für die Entwicklung alternativer Energiequellen: Windparks und Wasserkraftwerke. Vor der Einführung von Windparks wurde ihre Entwicklung jedoch durch die Unfähigkeit behindert, die Energieerzeugung auf einem konstanten und vorhersehbaren Niveau sicherzustellen. Im Rahmen des PowerShift Atlantic-Projekts wurde dies erreicht. Quelle: PowerShift Atlatic

Mit Beginn der Arbeiten des Windparks begann für die Nutzer ein unmerklicher Wechsel zwischen Energiequellen, die Abhängigkeit von den Wetterbedingungen wurde beseitigt, was die Weiterentwicklung von Wind- und Wasserkraftwerken ermöglichte. Die Gesamtkapazität des kontrollierten Windpark-Energiesystems beträgt mehr als 6.200 MW.

Eines der bekanntesten und größten Windparkprojekte, das derzeit umgesetzt wird, ist das Tesla Baby, ein riesiges virtuelles Kraftwerk in Südaustralien, das 50.000 Häuser mit installierten Sonnenkollektoren und Powerwall 2-Batterien kombiniert. Die Bedeutung des Projekts besteht darin, dass es sich bereits um eine staatliche Entwicklung handelt , kein Werkzeug zur Lösung eines lokalen Problems. Das Hauptziel des australischen Windparks ist es, das nationale Energiesystem zu ergänzen und zu stärken und die Stromkosten für die Abonnenten zu senken. Nach Abschluss des Projekts wird der Tesla-Solarpark 250 MW Energie produzieren und seine Batterien können bis zu 650 MW / h speichern. Dies ist derzeit Australiens größtes grünes Projekt.

Was verbindet diese Projekte? Die Verfügbarkeit erneuerbarer Ressourcen (an der Atlantikküste Kanadas, eine der besten Windbedingungen der Welt für die Schaffung von Windparks; in Südaustralien 180 Sonnentage im Jahr) und das Vorhandensein von Wohnvierteln in Städten mit lockerer, umfassender Entwicklung.

Ähnliche Projekte wurden in Finnland , Slowenien , Deutschland und Hawaii durchgeführt (aufgrund der Arbeit des Windparks sanken die Treibhausgasemissionen dort um 0,5%).

Was stoppt virtuelle Kraftwerke?

Die Entwicklung virtueller Kraftwerke wird auf gesetzlicher Ebene ernsthaft behindert. Tatsache ist, dass der Verkauf von Strom an Verbraucher in vielen Ländern nur dem Staat gestattet ist, der ihn von privaten Produzenten kauft. Daher ist es unmöglich, ein privates verteiltes Netzwerk ohne staatliche Beteiligung zu organisieren.

Wenn Sie sich die russische Erfahrung ansehen, sollten Sie den langsamen, aber unvermeidlichen Fortschritt beachten. 2017 genehmigte die Regierung der Russischen Föderation den „Aktionsplan zur Förderung der Entwicklung von Erzeugungsanlagen auf Basis erneuerbarer Energiequellen mit einer installierten Leistung von bis zu 15 kW“, der den vollständigen Betrieb kleiner erneuerbarer Energiequellen wie privater Windmühlen und Sonnenkollektoren impliziert. Ein besonderer bevorzugter „grüner Tarif“, nach dem Eigentümer von Kraftwerken zu Hause überschüssigen Strom an den Staat verkaufen könnten, wurde noch nicht eingeführt, aber das Gesetz wird in der Staatsduma geprüft, und es besteht gute Chancen, dass es in diesem Jahr verabschiedet wird.

Der Schwachpunkt virtueller Kraftwerke sind auch die hohen Implementierungskosten, die schwer vorherzusagen sind. Es werden alternative Kraftwerke benötigt, die teuren Strom produzieren, der selbst subventioniert werden muss. Es ist erforderlich, IoT-Sensoren zu installieren und zu synchronisieren, was wiederum hohe Anforderungen an die Qualität der Internetverbindung stellt (in fortgeschrittenen Ländern wird dieses Problem jedoch durch die Bereitstellung von 5G-Netzwerken gelöst). Ausgefeilte Software und fortlaufender Support sind erforderlich. Dies führt uns erneut zu der Notwendigkeit, den Staat oder einen anderen Großinvestor bei der Errichtung eines Windparks zu unterstützen.

Was erwartet uns alle?

Virtuelle Kraftwerke werden sich aktiv entwickeln und schrittweise veraltete Gesetze in der ganzen Welt vorantreiben. Um 2021 werden wir die Entstehung eines völlig neuen Strommarktes erleben, der eng mit virtuellen Kraftwerken, der intelligenten Verteilung von Energiereserven und der Optimierung des Energieverbrauchs aller Marktteilnehmer verbunden ist. Bis zu diesem Jahr wird der Bau großer virtueller Kraftwerke in den USA, der EU und Japan abgeschlossen sein, und ihre Vorteile werden offensichtlich.

Gut etablierte Windparksysteme regen die Welt an, den Anteil alternativer Energiequellen zu erhöhen, was zur Verbesserung der Umweltsituation auf dem Planeten und zur Schonung natürlicher Ressourcen beitragen wird. Außerdem wird sich die Energieinfrastruktur komplett ändern: Anstelle von riesigen Kraftwerken und einem Netzwerk von Kabeln, die von den Verbrauchern abweichen, erhalten wir ein dezentrales Netzwerk. Dies bedeutet, dass die zukünftigen Energiesysteme der Menschheit im Falle von Kataklysmen weniger anfällig werden - in Japan, wo der Anteil erneuerbarer Energiequellen gering ist und etwa 17% beträgt, sind Windparks aktiv an diesem Kontext interessiert. Die Dezentralisierung der Energieflüsse wird den Japanern helfen, massive Stromausfälle bei Erdbeben und Taifunen zu vermeiden.

Außerdem wird ein dezentrales Netz von Stromerzeugern und -verbrauchern mehr Ladestationen für Elektrofahrzeuge schaffen können, was die Industrie stimulieren wird. Und schließen Sie nicht die Tatsache aus, dass die Wahrscheinlichkeit größerer technologischer Katastrophen umso geringer ist, je weniger die Menschheit supermächtige Stromerzeuger benötigt. So machen wir unseren Planeten allmählich besser, komfortabler und sicherer. Und jeder wird davon profitieren.