Energieeffizienz, Smart Grid und Energiespeicher

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad η beschreibt die Effizienz einer Anlage als Verhältniszahl, und zwar in der Regel das Verhältnis der abgegebenen Nutzenergie zur zugeführten Energie. Wird die Energie nicht zwischengespeichert, kann auch mit der Leistung, also der abgegebenen Nutzleistung und der zugeführten Leistung gerechnet werden.

Werden $100\,\%$ der zugeführten Leistung als Nutzleistung genutzt erreicht man den maximalen Wirkungsgrad von $1$ . Real gibt es aber immer Verluste die einen Wirkungsgrad von $1$ unmöglich machen.

Beispiele:

Moderne hocheffiziente Generator: Ca. $95\,\%$
Klassische Glühbirne: $5\,\%$ Lichtleistung ( $95\,\%$ in ungewollter Wärme verbraucht)

Energieeffizienz

Die billigste und umweltfreundlichste Energie ist die, die wir nicht verbrauchen und deshalb gar nicht erst produzieren müssen. Energieeffizienz, das heisst die möglichst wirkungsvolle und sparsame Nutzung von Energie, ist daher ein wesentlicher Pfeiler der Schweizer Energiestrategie.

Eine hohe Energieeffizienz hat viele Vorteile: Sie senkt den Energieverbrauch und vermindert die Treibhausgasemissionen. Ein tieferer Energieverbrauch erleichtert den Umbau unseres Energieversorgungssystems. Künftig sollen inländisch produzierte erneuerbare Energien einen wesentlichen Teil unseres Energieverbrauchs decken. Dadurch verringert sich auch unsere Abhängigkeit vom Ausland. Und schliesslich bedeutet weniger Energieverbrauch auch weniger Kosten, bringt also wirtschaftliche Vorteile.

Beispiel

Umstellung der Beleuchtung von klassischen Glühbirnen auf LED Beleuchtung: LED Lampen sind viel effizienter als Glühlampen und erreichen einen Wirkungsgrad von $35-40\,\%$ sind also ca. $7-8 x$ effizienter als Glühbirnen und brauchen daher auch $7-8x$ weniger Energie um gleich viel Licht zu erzeugen.

Herausforderungen für die Energienetze

Mit der Energiewende wird das Energiesystem zwar effizienter und man würde denken das Energienetz wird daher weniger belastet. Genau das Gegenteil ist der Fall da wir viele fossile Energieträger gegen elektrische Energie austauschen die in grossen Mengen transportiert werden muss. Stichwort E-Mobility, kam früher die Energie aus dem Treibstoff als Energieträger muss jetzt die elektrische Energie zum Laden der Autos über das Energienetz geliefert werden.

Auch der Ort und die Art der Erzeugung ändert sich zu vielen kleinen dezentralen Erzeugern die an der untersten Netzebene angeschlossen sind wie beispielsweise Photovoltaikanlagen auf praktisch jedem Hausdach.

Für diese neu entstehenden Anforderungen ist das elektrische Netz welches historisch gewachsen ist nicht geeignet. Früher wurde die Energie zentral in grossen Kraftwerken erzeugt und dann wie bei einer Giesskanne über die oberen Netzebenen bis zu uns an der untersten Netzebene verteilt und hatte so eine klare Flussrichtung.

Mit der Energiewende verändern sich die Anforderungen an die Netze extrem und um alle Ziele der Energiewende zu schaffen, müssen die Netze teilweise stark ausgebaut werden.

Smart Grids und Energiespeicher

Ein Teil dieses Ausbaus kann aber mit lokalen Energiespeichern und einer intelligenten Steuerung von Erzeugern und Verbrauchern in sogenannten Smart Grids bzw. intelligenten Netzen vermieden werden.

Intelligente Stromnetze (Smart-Grids) kombinieren Erzeugung, Speicherung und Verbrauch. Eine zentrale Steuerung stimmt sie optimal aufeinander ab und gleicht somit Leistungsschwankungen – insbesondere durch fluktuierende erneuerbare Energien – im Netz aus. Die Vernetzung erfolgt dabei durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) sowie dezentral organisierter Energiemanagementsysteme zur Koordination der einzelnen Komponenten. Das bedeutet, dass in einem Smart-Grid nicht nur Energie sondern auch Daten transportiert werden, sodass Netzbetreiber in kurzen Abständen Informationen zur Energieproduktion und -verbrauch erhalten. Bisher hatten die Netzbetreiber weder Kontrolle noch Kenntnis, wann und wo eine dezentrale Erzeugungsanlage Strom ins Netz einspeist. Wird der Anteil solcher „unkoordinierten“ Erzeuger zu hoch, steigt das Risiko von instabilen Netzzuständen.

Durch intelligente Vernetzung, Lastmanagement und Nachfrageflexibilisierung können somit eine effiziente Nutzung und Integration der erneuerbaren Energien sowie eine Optimierung der Netzauslastung erreicht werden.

Zusätzlich zur intelligenten Steuerung braucht es zahlreiche neue Energiespeicher im Netz die lokal einen Energieüberschuss durch z.B. viel PV am Mittag aufnehmen und dann am Abend wieder abgeben können. So kann die Energie auch lokal genutzt werden und das Netz wird weniger belastet. Solche Speicher müssen nicht nur Batterien sein sondern können Energiespeicher unterschiedlichster Art wie Power-to-Gas Anlagen oder auch Druckluftspeicher sein.