baukasten erneuerbare energien – wie mit intelligenten...

Baukasten Erneuerbare Energien – wie mit

intelligenten Konzepten und Systemen die

Energiezukunft optimiert werden kann

Bericht Masterarbeit Master of Advanced Studies

Business Administration and Engineering,

Fachhochschule St.Gallen 2011-2013

Kurs MAS BAE 240098

Verfasser Roland Grob

Betreut durch Marcel Gauch

Fachgebiet Umwelt- und Ressourcenmanagement

Organisatorisches I

Baukasten Erneuerbare Energien – wie mit intelligenten Konzepten und Systemen die Energiezukunft optimiert werden kann

© Roland Grob

Organisatorisches

Kontaktdaten Verfasser

Roland Grob Schweizergasse 21 9244 Niederuzwil Email: [email protected]

Executive Summary II


© Roland Grob

Executive Summary

Aufbau der Arbeit

Um das Prinzip von Smart Grid darstellen zu können, muss in einem ersten Schritt das darunter liegende Energieversorgungssystem verstanden werden. Da sich Smart Grid noch in der Entwicklungsphase befindet, bedarf es für diese Arbeit einen Blick in eine mögliche Zukunft. Zu diesem Zweck wurde durch die Historie der Energieversorgung und die aktuelle Situation eine Entwicklungsrichtung ermittelt. Das Zukunftsszenario bringt Anforderungen und Eigenschaften des Systems zum Vorschein, welche heute nur eine sehr eingeschränkte Rolle spielen.

Damit die komplexen Systeme erfasst werden können, wurde ein modularer Ansatz erarbeitet, welcher es ermöglicht das bestehende und zukünftige Netz zu analysieren und sein Verhalten zu erfassen. Dieser Baukasten kann von Lieferanten von Smart Grid Komponenten verwendet werden, um ihr Produktportfolio in derselben Struktur aufzubauen und somit virtuell das real vorhandene System abzubilden.

Das Fallbeispiel aus dem Bereich der Photovoltaik bestätigt den Sinn der kostendeckenden Einspeisevergütung und weist auf den Handlungsbedarf im Bereich der wirtschaftlichen Rahmenbedingungen hin. Die auf Annahmen und Indikatoren beruhende Berechnung eines Zukunftsszenarios zeigt aber auch, dass das Thema Smart Grid hochbrisant ist und sich der Einsatz der Optimierungstechnologien schon in naher Zukunft lohnen kann.

Zusammenfassung

Die schweizerische Energieversorgung befindet sich in einem Umbruch. Vor allem die Versorgung mit elektrischer Energie wird seit einigen Jahren mit immer kritischeren Augen betrachtet. Die Katastrophen in Tschernobyl und Fukushima schüren die Ängste der Bevölkerung vor den Auswirkungen von Atomkatastrophen. Aber auch der stetig ansteigende Energieverbrauch der Bevölkerung, verursacht durch unterschiedliche Gründe wie Bevölkerungswachstum, elektrische Substitution von fossilen Brennstoffen und dergleichen, lässt den Bedarf an neuen Energiequellen steigen. Nach dem Grundsatz des Nachhaltigen Denkens und Handelns, werden für die Schliessung dieser entstehenden Lücken die neuen erneuerbaren Energien gefördert. Diese meist lokal angeordneten Kleinanlagen, verändern die Struktur der bestehenden Grundversorgung. Von der vorrangig zentralen Anordnung der Energieproduktion, wandelt sie sich in ein System mit immer steigendem Anteil dezentraler Komponenten.

Auch wenn die Energie erneuerbar ist, lohnt es sich die Systeme aus ökonomischer und ökologischer Sicht zu optimieren. Auch ihr wetterabhängiger Einfluss auf das Gesamtsystem kann bei steigendem Anteil zu Problemen in den Versorgungsnetzen führen. Aus diesen und anderen Gründen, muss ein Weg gefunden werden, das immer komplexer werdende Konstrukt soweit wie möglich zu überwachen, zu kontrollieren und bei Bedarf einzugreifen. Der Smart Grid Gedanke zielt auf dieses Vorgehen ab. Mittels moderner ICT Komponenten soll das System aufgerüstet und vernetzt werden. Mehrere Einzelkomponenten können auf diesem Weg zu sogenannten Micro Grids verbunden werden, welche der übergeordneten Ebene dabei helfen das System im Überblick zu behalten. Statt jede Anlage einzeln zu betrachten, werden sie in Gruppen zusammengefasst, welche intern optimiert werden können und gegen aussen einen überschaubaren Charakter wiederspiegeln. Um diesen virtuellen Zusammenschluss möglich zu machen, müssen die Einzelteile standardisiert

Executive Summary III


© Roland Grob

werden und mit Smart Grid Komponenten ausgerüstet werden. Unter Berücksichtigung der entsprechenden Rahmenbedingungen können die Komponenten nun untereinander abgestimmt werden.

Die Standardisierung der Smart Grid Prinzipien ermöglicht es auch, dieselben Optimierungsmassnahmen bei unterschiedlichsten Produktionsmethoden einzusetzen. Das Smart Grid kann somit schrittweise weiterentwickelt werden und immer tiefer in das komplexe Gesamtsystem eingreifen.

Da der Wandel noch in den Anfängen steckt, hält sich der wirtschaftliche Nutzen solcher Optimierungsmassnahmen derzeit noch in Grenzen. Das Hauptziel der aktuellen Förder- und Regulierungsmassnahme ist es, den Anteil der erneuerbaren Energien zu erhöhen. Dies wird in der Schweiz mit der kostendeckenden Einspeisevergütung vorangetrieben, welche es ermöglicht, eigentlich nicht rentable, Anlagen zu bauen. Die Umsetzung erfolgt mit einer Kostenumlagerung durch den sogenannten Klimarappen. Die Wirksamkeit dieser Massnahmen wiederspielgelt sich in der immer steigenden Anzahl neuer Anlagen und auch in den stetig sinkenden Marktpreisen der Komponenten. Im Bereich der Photovoltaik zeigt sich, dass die als unrentabel verschriene Technologie auch aus wirtschaftlicher Sicht immer näher an den Punkt kommt, an dem sie auch ohne Förderung profitabel betrieben werden kann. Dies ist dann erreicht, wenn die Gestehungskosten der Anlagen tiefer sind, als die Einkaufspreise für extern bezogene Energie. Je höher diese Differenz, desto mehr lohnen sich Zusatzinvestitionen, welche mit den Einsparungen durch die nicht bezogene externe Energie gedeckt werden können.

Der Blick auf das aktuelle Marktgeschehen lässt die Vermutung zu, dass diese Kostenkonstellation in wenigen Jahren erreicht werden könnte. Aus diesem Grund wird es Zeit sich um den nächsten Schritt im Energiewandel zu kümmern und in die Entwicklung der Smart Grid Komponenten zu investieren um für die zukünftigen Anforderungen des Gesamtsystems gewappnet zu sein.

Der technologische und der marktwirtschaftliche Wandel alleine reichen allerdings noch nicht, um den Weg in ein intelligentes und zuverlässiges Versorgungsnetz zu ebnen. Auch die Rahmenbedingungen der öffentlichen Hand müssen dem Modell angepasst werden. Mit regulierenden Massnahmen wie der Eigenverbrauchsförderung und angepassten Tarifmodellen muss die Optimierung des Systems gefördert werden. Im Massnahmenpaket 2050 des Bundes zeigen sich Ansätze für diese Entwicklung ab. Es gilt von der reinen Investitionsförderung, in ein regulierendes System zu wechseln. Um ein intelligentes Netz zu ermöglichen, müssen somit auch sämtliche Beteiligten und Nebendarsteller ihr Verhalten immer „smarter“ gestalten.

Inhaltsverzeichnis IV


© Roland Grob

Inhaltsverzeichnis

Organisatorisches ................................................................................................................... I

Executive Summary ............................................................................................................... II

Inhaltsverzeichnis ................................................................................................................. IV

Quellenverzeichnis ............................................................................................................... VI

Abbildungsverzeichnis .......................................................................................................... IX

Tabellenverzeichnis .............................................................................................................. XI

Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................................ XII

1 Aufgabenstellung ........................................................................................................ 1

2 Ist-Situation Energie Schweiz ...................................................................................... 3

2.1 Entstehung der Schweizer Stromversorgung ........................................................... 3

2.2 Versorgungskonzept ................................................................................................ 4

2.3 Produktion und Verbrauch ....................................................................................... 5

2.4 Tarifmodelle ............................................................................................................. 8

2.4.1 Normaltarife ......................................................................................................... 8

2.4.2 Kostendeckende Einspeisevergütung .................................................................. 8

2.4.3 Eigenvermarktung ................................................................................................ 9

3 Energiewandel .......................................................................................................... 10

3.1 Konzept der dezentralen Energieversorgung ......................................................... 10

3.1.1 Auswirkungen und Herausforderungen der dezentralen Energieversorgung ...... 11

3.1.2 Problementschärfung durch den Einsatz von Speichern .................................... 16

4 Smart Grid ................................................................................................................. 17

4.1 Begriffsdefinition Smart Micro Grid ........................................................................ 17

4.2 Komponenten eines Smart Grid ............................................................................. 17

4.2.1 Rahmenbedingungen ......................................................................................... 21

4.2.2 Smart Grid Prinzipien ......................................................................................... 23

4.2.3 Physikalische Komponenten .............................................................................. 26

4.3 Nutzen des Smart Grid .......................................................................................... 31

4.4 Dimensionen .......................................................................................................... 34

Inhaltsverzeichnis V


© Roland Grob

4.5 Mögliches Konzept eines Smart Grid ..................................................................... 34

4.6 Dezentraler oder zentraler Einsatz der Komponenten ............................................ 35

4.7 Modell Bioenergiedorf ............................................................................................ 36

4.8 Fachbereiche innerhalb von Smart Grid ................................................................. 39

5 Fallbeispiel Photovoltaik ............................................................................................ 41

5.1 Methodik und Vorgehen der Analyse ..................................................................... 42

5.1.1 Selektion der Messdaten .................................................................................... 43

5.1.2 Rahmenbedingungen ......................................................................................... 46

5.1.3 Wahl der Kennzahlen ......................................................................................... 47

5.2 Standardinstallation ............................................................................................... 48

5.3 Optimierung durch passiven Speichereinsatz ........................................................ 53

5.4 Optimierung durch Verbrauchssteuerung .............................................................. 58

5.5 Optimierung durch Einsatz von Prognosesystemen ............................................... 64

5.6 Wirtschaftlichkeitsrechnung ................................................................................... 66

5.6.1 Kosten der Photovoltaikanlage ........................................................................... 66

5.6.2 Kosten des elektrischen Speichers..................................................................... 67

5.6.3 Energiepreise ..................................................................................................... 69

5.6.4 Modellvergleich .................................................................................................. 71

5.6.5 Blick in die Zukunft ............................................................................................. 75

5.6.6 Schlussfolgerung aus dem Fallbeispiel .............................................................. 80

6 Fazit .......................................................................................................................... 82

Anhang A Beschreibung Excelauswertung ............................................................... 84

Anhang B Erklärung ................................................................................................. 85

Quellenverzeichnis VI


© Roland Grob

Quellenverzeichnis

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Quellenverzeichnis VII


© Roland Grob

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Quellenverzeichnis VIII


© Roland Grob

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PhotovoltaikZentrum, 2013.

Abbildungsverzeichnis IX


© Roland Grob

Abbildungsverzeichnis

• Abbildung 1: Entwicklung der Stromversorgung ......................................................... 3

• Abbildung 2: zentrales Versorgungskonzept .............................................................. 5

• Abbildung 3: Strom Mix Schweiz ................................................................................ 6

• Abbildung 4: Verbrauchsentwicklung .......................................................................... 6

• Abbildung 5: Tagesverläufe ........................................................................................ 7

• Abbildung 6: Erklärung KEV (Stiftung KEV, 2013) ...................................................... 8

• Abbildung 7: Versorgungskonzept mit steigendem dezentralen Anteil ...................... 11

• Abbildung 8: Verhalten in einer Sommerwoche ........................................................ 14

• Abbildung 9: Verhalten in einer Winterwoche ........................................................... 15

• Abbildung 10: PWC Smart Grid Modell ..................................................................... 18

• Abbildung 11: BaukastenSmart Micro Grid ............................................................... 20

• Abbildung 12: Eigenverbrauchsregelung kleine PV Anlagen .................................... 33

• Abbildung 13: Eigenverbrauchsregelung Wärme Kraft Kopplungs Anlagen .............. 33

• Abbildung 14: Bioenergiedorf ................................................................................... 36

• Abbildung 15: Das Dorf als Modell ........................................................................... 38

• Abbildung 16: Fachbereiche ..................................................................................... 39

• Abbildung 17: KEV Produktion und Vergütung 2012 ................................................ 41

• Abbildung 18: Verlauf zeitunabhängiger Verbraucher ............................................... 44

• Abbildung 19: Verlauf zeitkritischer Verbraucher ...................................................... 45

• Abbildung 20: Verlauf Wärmepumpe ........................................................................ 46

• Abbildung 21: Komponenten Standardinstallation .................................................... 49

• Abbildung 22: Verlauf Standardinstallation ............................................................... 51

• Abbildung 23: Tarifzeiten .......................................................................................... 52

• Abbildung 24: Komponenten passiver Speichereinsatz ............................................ 53

• Abbildung 25: Verlauf mit Speicher .......................................................................... 55

• Abbildung 26: Diskrepanz Verbrauch - Produktion ................................................... 57

• Abbildung 27: Komponenten mit Lastverschiebung .................................................. 58

Abbildungsverzeichnis X


© Roland Grob

• Abbildung 28: Verschiebung Lastspitze .................................................................... 59

• Abbildung 29: Verlauf Speicher optimiert .................................................................. 60

• Abbildung 30: Lastspitze durch Optimierung am 07.02.2012 .................................... 62

• Abbildung 31: Wetterprognose vom 09.02.2012 ....................................................... 63

• Abbildung 32: Komponenten mit Prognosesystem ................................................... 64

• Abbildung 33: Zusammensetzung Strompreis (UVEK, 2013) ................................... 69

• Abbildung 34: Strompreise Dozwil ............................................................................ 70

• Abbildung 35: Preisentwicklung PV Anlagen ............................................................ 75

• Abbildung 36: Strompreise in Europa ....................................................................... 77

Tabellenverzeichnis XI


© Roland Grob

Tabellenverzeichnis

• Tabelle 1: Installation je Szenario ............................................................................. 13

• Tabelle 2: Resultat Grundinstallation ........................................................................ 52

• Tabelle 3: Resultat mit Speicher ............................................................................... 56

• Tabelle 4: Resultat mit Lastverschiebung ................................................................. 61

• Tabelle 5: Resultat mit Prognosesystem .................................................................. 64

• Tabelle 6: Gestehungskostenrechnung PV Anlage................................................... 67

• Tabelle 7: Speicherkostenvergleich .......................................................................... 72

• Tabelle 8: Beschaffungskostenvergleich .................................................................. 73

• Tabelle 9: Verkaufserlösvergleich ............................................................................. 73

• Tabelle 10: Jahresabschlussvergleich ...................................................................... 73

• Tabelle 11: Mittelwert Bezugskosten ........................................................................ 74

• Tabelle 12: Gesamtgestehungskosten ..................................................................... 74

• Tabelle 13: Gestehungskosten PV Zukunftsszenario ............................................... 78

• Tabelle 14: Gestehungskostenvergleich Zukunftsszenario ....................................... 79

• Tabelle 15: Jahresabschlüsse Zukunftsszenario ...................................................... 79

Abkürzungsverzeichnis XII


© Roland Grob

Abkürzungsverzeichnis

TWh Terrawattstunde

MWh Megawattstunde

kWh Kilowattstunde

kWp Kilowatt peak (Dimension der installierten Leistung einer PV Anlage)

SFr. Schweizer Franken

Rp. Rappen

BFE Bundesamt für Energie

BHKW Blockheizkraftwerk

B & U Betrieb und Unterhalt

DoD Depth of Discharge

ICT information and communication technology

KEV Kostendeckende Einspeisevergütung

KMU Kleine und mittlere Unternehmen

PV Photovoltaik

PWC Pricewaterhouse Coopers

UVEK Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und

Kommunikation

VSE Verein Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen

WKK Wärmekraftkopplung

Aufgabenstellung 1


© Roland Grob

1 Aufgabenstellung

Die schweizerische Energieversorgung wird seit einigen Jahren mit starken Veränderungen

konfrontiert. Schlagworte wie „Energiewandel“, „Smart Grid“, und „Energiezukunft Schweiz“

machen in branchenspezifischen und politischen Kreisen die Runde.

Wirtschaftliches Wachstum und die Industrialisierung wurden, und werden, weltweit als

Legitimation für den enormen Ausstoss von Kohlendioxid und der Verursachung von

Atomabfällen verwendet. Mit dem Erreichen eines gewissen Wohlstandes und der

Konfrontation mit den umwelttechnischen Konsequenzen, beginnt nun das Umdenken in

einigen Ländern. Der Fokus dieses Berichtes liegt auf der Entwicklung des schweizerischen

Energiemarktes, unter Berücksichtigung des Einflusses von Deutschland und anderen

umliegenden Ländern.

Dass ein Umschwenken in Richtung der regenerativen Energiequellen unvermeidlich ist, wird

von den meisten mit mehr oder weniger ausgeprägter Akzeptanz eingesehen. Das Fernziel

ist definiert und eine umweltverträgliche Energiezukunft wird angestrebt. Über den Weg,

welcher für dieses Ziel eingeschlagen wird herrscht allerdings weniger Einigkeit.

In dieser Arbeit wird der Einfluss moderner Technologien betrachtet, welche zu einem

grossen Teil dank anderem Konsumverhalten unserer Gesellschaft immer interessanter

werden. Der Wunsch nach permanenter Verfügbarkeit von Kommunikationsmöglichkeiten

eröffnet die Möglichkeit, dezentrale Energiekomponenten virtuell zusammenzuschliessen

und somit einen Mehrwert der Systeme zu schaffen. Derselbe Wunsch, kombiniert mit dem

Drang nach Mobilität, führt zu markanten Fortschritten im Bereich der elektrischen Speicher.

Technologien, welche in erster Linie für Smartphones und Elektroautos entwickelt wurden,

eröffnen uns neue Möglichkeiten, welche vor einigen Jahren noch mit einem Lächeln vom

Tisch gewischt wurden.

Die Komplexität des Energiesystems wird einem immer bei grösseren Störfällen, oder

Umweltkatastrophen bewusst. Regionale Ursachen können verheerende und weitgreifende

Auswirkungen haben. Das System besteht aus unzähligen Beteiligten mit unterschiedlichen

Funktionen, welche alle direkt physikalisch miteinander gekoppelt sind.

Der Stromausfall 2006 (VDE, 2006) hat Europa sehr eindrücklich wachgerüttelt und

aufgezeigt, wie abhängig das Gesamtsystem von den einzelnen Komponenten ist. Ein

Kreuzfahrtschiff, welches eine Übertragungsleitung passierte, verursachte einen

Stromausfall in 15 Millionen Haushalten. Trotz Einsatz modernster Mittel wurde dieser

Störfall nicht vorausgesehen.

Und genau dieses hochsensible Gesamtsystem befindet sich jetzt in einem elementaren

Umbruch. Es zeichnet sich ein Paradigmenwechsel ab von zentraler, regulierbarer

Aufgabenstellung 2


© Roland Grob

Energieversorgung, hin zu einer dezentralen Lösung, welche von Wettereinflüssen und

anderen nicht planbaren Faktoren abhängig ist.

So vielfältig wie die Komponenten des Systems sind, so vielfältig sind auch die möglichen

Lösungsansätze.

In diesem Bericht wird die komplexe Thematik mit steigender Detailtiefe durchleuchtet.

Zuerst wird die Ist Situation beschrieben. Dies wird anhand eines historischen Rückblickes

und aktuellen Rahmenbedingungen erarbeitet. Es wird versucht, nicht nur eine

Momentaufnahme darzustellen, sondern die Richtung der Entwicklung zu erfassen und

daraus die Bedeutung des Energiewandels abzuleiten. Ein Wandel impliziert in seiner

Bedeutung auch eine, mehr oder weniger ungewisse, Zukunft.

Durch die Analyse verschiedener Indikatoren und Szenarien sollen mögliche Eigenschaften

und Anforderungen der Energieversorgung der Zukunft dargestellt werden. Dieses, auf

Annahmen beruhende, Szenario soll dabei helfen die Anforderungen an die Smart Grid

Komponenten festzulegen, welche in der Energiezukunft eine zentrale Rolle übernehmen

sollen. Die Arbeit soll somit Systemlieferanten und Infrastrukturverantwortlichen helfen, sich

dem Wandel des Systems anzuschliessen und sich nachhaltig weiterzuentwickeln.

Mit der Entwicklung eines Baukastens wird eine Methode erarbeitet, mit der komplexe

Energiesysteme in Standardkomponenten aufgeteilt werden können. Diese Aufteilung hilft

nicht nur der eigentlichen Beschreibung des Systems, sondern es hilft auch den Lieferanten

ihre Produkte entsprechend Modular zu entwickeln. Ein Softwarelieferant kann somit für jede

Standartkomponente ein entsprechendes Softwaremodul vorbereiten, welches dank

Schnittstellen mit anderen Modulen verknüpft werden kann. Ein reales System kann mit Hilfe

dieser Methode virtuell nachgebaut werden. Auch kann anhand der einzelnen Komponenten

ermittelt werden, welches Knowhow für diese Thematik benötigt wird.

Das Fallbeispiel, welches auf Grundlage realer Messdaten aus dem Jahr 2012 erarbeitet

wurde, konzentriert sich auf die Photovoltaik, welche den am stärksten wachsenden Zweig

der Thematik darstellt. Mit dem Beispiel wird aufgezeigt, dass die Energiezukunft nicht

alleine von technischen Möglichkeiten abhängt. Auch rechtliche und wirtschaftliche

Rahmenbedingungen spielen eine entscheidende Rolle um die Zusatzinvestitionen rentabel

zu machen. Ebenfalls in diesem Teil wird ein Blick in die Zukunft gewagt. Obwohl Smart

Grid, zum heutigen Zeitpunkt, nur beschränkt wirtschaftlich interessant ist, legen

unterschiedliche Entwicklung die Vermutung nahe, dass sich dieser Umstand schon sehr

bald ändern kann.

Ist-Situation Energie Schweiz 3


© Roland Grob

2 Ist-Situation Energie Schweiz

2.1 Entstehung der Schweizer Stromversorgung

Um die zukünftige Entwicklung des schweizerischen Stromnetzes zu verstehen, benötigt

man einen kurzen Einblick in die Vergangenheit. Einen geeigneten Überblick zeigt die

Homepage www.strom-online.ch welche von verschiedenen Stromversorgern betrieben wird.

(strom-online.ch, 2010)

Abbildung 1: Entwicklung der Stromversorgung

Vor 1903: Isolierte Versorgung

Ein einzelnes Kraftwerk versorgt ein nahe gelegenes Verbrauchergebiet mit Strom. Wegen

der hohen Abhängigkeit von einem einzelnen Kraftwerk eines bestimmten Typs ist die

Versorgungssicherheit ungenügend.



© Roland Grob

Ab 1903: Erste Kraftwerkverbunde

Zwei oder mehrere Kraftwerke werden mit einer Stromleitung verbunden, was zu mehr

Stabilität in der Versorgung führt. Zum Beispiel das Flusskraftwerk Beznau AG und das

Speicherkraftwerk Löntsch GL: Beznau liefert kontinuierliche Bandenergie, Löntsch

Spitzenenergie.

1903 bis 1958: Ausbau des Stromnetzes

Die Stromnachfrage wächst stetig. Es entstehen erste monumentale Kraftwerkbauten in den

Bergen. Entsprechend länger wird das Stromnetz. Die Versorgungsgebiete sind zusehends

weiter entfernt von den Kraftwerken.

1958: Stern von Laufenburg

Die Schweiz, Deutschland und Frankreich überwinden das gegenseitige Misstrauen aus zwei

Weltkriegen und schaffen bei Laufenburg das erste transnationale Stromnetz. Vorher hatte

jedes Land ein autonomes Netz betrieben. Durch den Verbund steigen

Versorgungssicherheit und Netzstabilität: Es sind noch mehr verschiedene Kraftwerktypen

und Kraftwerke integriert. Mit dem «Stern von Laufenburg» beginnt auch der internationale

Stromhandel.

1958 bis heute: Grosse Ausbauphase

Der Hunger nach Strom wird stetig grösser. Zahlreiche leistungsfähige Kraftwerke entstehen.

Die Netzinfrastruktur in der Schweiz wie im Ausland wächst. Bis Ende der 1970er-Jahre ist

die Infrastruktur mehrheitlich gebaut: Trassen für Hochspannungsleitungen,

Speicherkraftwerke in den Bergen, Kernkraftwerke im Mittelland. Der internationale

Stromhandel gewinnt an Bedeutung. Es entstehen erste Kapazitätsengpässe.

2.2 Versorgungskonzept

Der Rückblick in die Vergangenheit zeigt, dass nicht nur technologische Errungenschaften

die Entwicklung geprägt haben, sondern, dass auch die Konzeption des Systems sich stetig

weiterentwickelt hat. Von ehemals isolierten Einzelsystemen zu einem flächendeckenden

Netzwerk mit sehr einflussreichen Schlüsselelementen. Den wohl stärksten Einfluss haben

die grossen Produktionsanlagen, wie Kern- und Laufwasserkraftwerke. Um die Stabilität der

Stromversorgung sicherzustellen wird das (n-1)-Prinzip angewendet (Schwab, 2012 S. 6).

Dieses Prinzip stellt sicher, dass jeder Ausfall einer Komponente durch den Rest des

Systems getragen werden kann. Dies betrifft sowohl die Übertragung als auch die Produktion

der Energie.

Das Schweizer Energienetz ist somit auf die grossen Produktionsanlagen ausgerichtet und

die Netzstruktur verfeinert sich somit von den Einspeisepunkten weg, hin zu den einzelnen

Verbrauchern. Man spricht von einem zentralen Versorgungskonzept.



© Roland Grob

Abbildung 2: zentrales Versorgungskonzept

Die Abbildung 2 zeigt eine sehr stark vereinfachte Darstellung des zentralen

Versorgungskonzeptes welches in der Schweiz vorherrscht.

2.3 Produktion und Verbrauch

Im Folgenden werden die Zusammensetzung und der zeitliche Verlauf der Stromproduktion

in der Schweiz betrachtet. Als Grundlage dafür dient die Schweizerische Elektrizitätsstatistik

2012. (Bundesamt für Energie, 2013)

Der Blick auf die Produktionsstatistik ist gleichzeitig ein Blick auf den Verbrauch. Dass

Verbrauch und Produktion zu jedem Zeitpunkt gleich sein müssen, stellt eine der grossen

Herausforderungen in der Zukunft dar.

Der Einfluss des Stromhandels wird dabei ausgeblendet, da er für diese Arbeit irrelevant ist.

Er würde die Zahlen zwar leicht verändern, die folgenden Grundaussagen können aber

dennoch hergeleitet werden.

Der Schweizer Strom Mix besteht nach wie vor zu einem grossen Teil aus Wasserkraft. Die

Speicherkraftwerke (32.5%) und die Laufwasserkraftwerke (26.2%) liefern mehr als die

Hälfte unseres Strombedarfs. Mit den Kernkraftwerken (35.8%) und den konventionell

thermischen und andere Kraftwerken (5.5%) wird die Lücke geschlossen.



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Abbildung 3: Strom Mix Schweiz

Gemäss öffentlichen Diskussionen ist der Wunsch vorhanden, in Zukunft den Teil der

Kernkraftwerke mit alternativen, bzw. regenerativen Produktionsmethoden zu ersetzen. Dies

entspricht einer Menge von 24.3 TWh. Diese Lücke soll zukünftig mit zusätzlicher

Produktion, oder reduziertem Verbrauch geschlossen werden.

Abbildung 4: Verbrauchsentwicklung

Abbildung 4 zeigt die Verbrauchsentwicklung der Schweiz seit 1950. Trotz

Einsparbemühungen steigt der Strombedarf stetig.



© Roland Grob

Die Gründe für diesen Trend sind vielfältig:

• Bevölkerungswachstum

• Elektrifizierung fossiler Verbraucher (Wärmepumpen statt Ölheizungen)

• Massiver Anstieg von Standby Verbrauchern (Internet etc.)

• Ausbau von Beleuchtungsinfrastruktur

• Usw.

Dieser Trend legt die Vermutung nahe, dass Lücken wohl vorrangig mit neuen

Produktionsmitteln, statt mit Einsparungen angestrebt werden muss.

Abbildung 5: Tagesverläufe

Ein weiterer relevanter Faktor ist der kurzfristige Verlauf des Strombedarfs. Die Abbildung 5

zeigt, dass nicht nur die gesamte Energiemenge relevant ist, sondern auch, wann sie

benötigt wird. Die Schweiz befindet sich in der komfortablen Situation auf eine grosse Menge

sogenannter Bandenergie zurückgreifen zu können. Also Energie, welche rund um die Uhr

konstant zur Verfügung steht und somit das Fundament der Stromversorgung bildet. Dies

ermöglichen zu einem grossen Teil die Kernkraftwerke. Die kurzzeitigen Schwankungen

werden mit dem Spielraum der Laufwasserkraftwerke und dem Potential der

Speicherkraftwerke ausgeglichen, welche in der Nacht jeweils mit der überschüssigen

Bandenergie wieder aufgeladen werden können. Ein Ersatz der Kernkraftwerke bedeutet

also auch einen Ersatz für die Bandenergie.



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2.4 Tarifmodelle

Ein Stromtarif ist in seiner einfachsten Form ein Entgelt für eine bezogene Leistung. In der

Schweiz gibt es allerdings verschiedene Modelle welche teilweise auch einen

regulatorischen Zweck mit sich bringen.

2.4.1 Normaltarife

Als Normaltarif wird der Tarif zwischen Stromversorger und Konsument betrachtet. Üblich

sind unterschiedliche Tarife abhängig von Tages- und Jahreszeit. Dies soll eine

regulatorische Wirkung bringen, damit die Konsumenten zeitunkritische Verbraucher wie

Boiler etc. zu jenen Zeiten verwenden, wenn Produktionsüberschuss herrscht und nicht

während den Hochlastzeiten am Mittag oder Abend.

Ein weiterer Normaltarif existiert für Kleinproduzenten. Diese können ihren produzierten

Strom zu vereinbarten Tarifen ins Versorgungsnetz einspeisen. Dies sind meistens

einheitliche Tarife unabhängig von der Einspeisezeit. In wenigen Fällen gibt es allerdings

auch hier zeitabhängige Tarife um die Einspeisezeit zu regulieren.

2.4.2 Kostendeckende Einspeisevergütung

Die kostendeckende Einspeisevergütung ist ein Förderprogramm für erneuerbare Energien und gilt für folgende Technologien:

• Wasserkraft (bis 10 Megawatt) • Photovoltaik • Windenergie • Geothermie • Biomasse und Abfälle aus Biomasse

Es gibt für jede dieser Technologien eigene Vergütungstarife, die anhand von Referenzanlagen pro Technologie und Leistungsklasse festgelegt sind. Die Dauer der Vergütung beträgt je nach Technologie 20 bis 25 Jahre. Die Erzeugung von erneuerbarer Energie wird aufgrund des technologischen Fortschritts immer günstiger. Deshalb ist eine Absenkung der Vergütungstarife der kostendeckenden Einspeisevergütung vorgesehen. Diese Absenkung betrifft jeweils nur die neu angemeldeten Anlagen. Sie erhalten über die gesamte Vergütungsdauer einen dann konstant bleibenden Vergütungstarif.

Wer sich für die kostendeckende Einspeisevergütung entscheidet, kann seine Elektrizität nicht gleichzeitig auch als «grünen Strom» am freien Ökostrommarkt verkaufen.

Die Bestimmungen über die kostendeckende Einspeisevergütung sind in der geänderten Energieverordnung (EnV) geregelt. Sie sind am 1. Januar 2009 in Kraft getreten. Von der Einspeisevergütung können Anlagen profitieren, die nach dem 1. Januar 2006 in Betrieb genommen worden sind. Die Anmeldung für solche Anlagen erfolgt bei der nationalen Netzgesellschaft Swissgrid.

Abbildung 6: Erklärung KEV (Stiftung KEV, 2013)



© Roland Grob

Die Kostendeckende Einspeisevergütung, gilt als der Treiber schlechthin für erneuerbare

Energieträger. Sie stellt allerdings eine reine Investitionsförderung dar und hat keinerlei

regulatorische Funktion.

2.4.3 Eigenvermarktung

Die Eigenvermarktung von produziertem Strom, wird von unterschiedlichen Organisationen

betrieben. Physikalisch gesehen wird der Strom irgendwo im Netz eingespeist.

Buchhalterisch wird allerdings jede Kilowattstunde erfasst und in Rahmen von Kontingenten

vermarktet. Ein Produzent in der Ostschweiz kann somit erneuerbare Energie für eine Firma

in der Westschweiz produzieren und erhält von dieser einen Mehrwert bezahlt.

Auch verschiedene Kantons- und Gemeindewerke betreiben ein System der

Selbstvermarktung.

Energiewandel 10


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3 Energiewandel

Das Bundesamt für Energie hat folgende Ziele für die Schweizer Energieversorgung

gesteckt:

(Bundesamt für Energie, 2012)

Die Ziele sind verhältnismässig Moderat, wenn man Sie mit den Zielen der Volksinitiative von

2003 'Strom ohne Atom - Für eine Energiewende und die schrittweise Stilllegung der

Atomkraftwerke‘ (Strom ohne Atom) vergleicht, in welcher die komplette Stilllegung

sämtlicher Kernkraftwerke gefordert wurde. Dennoch ist die Richtung klar und das Fernziel

einer kernkraftfreien Versorgung bleibt mit ungewissen Zeithorizont erhalten.

3.1 Konzept der dezentralen Energieversorgung

Mit der Zunahme der Verwendung von erneuerbaren Energiequellen wie Wind-, Solar- und

Wasserkraft entsteht eine neue Struktur des Versorgungsnetzes. Zu den zentralen

Hauptknoten kommen dezentrale Kleinkraftwerke in hoher Stückzahl dazu.

• Generelle Reduktion des Endenergieverbrauchs durch Verbesserung der

Energieeffizienz im Brenn- und Treibstoff- sowie im Elektrizitätsbereich.

• Reduktion der CO2-Emissionen und des Verbrauchs an fossilen Energien um

mindestens 20 Prozent bis 2020 gegenüber dem Stand von 1990.

• Steigerung des Anteils der erneuerbaren Energien zwischen 2010 und 2020 am

Gesamtenergieverbrauch um mindestens 50 Prozent. Der zunehmende

Elektrizitätsverbrauch soll möglichst durch erneuerbare Energien abgedeckt

werden.

Energiewandel 11


© Roland Grob

Abbildung 7: Versorgungskonzept mit steigendem dezentralen Anteil

Da die bestehenden Grosskraftwerke auch in Zukunft erhalten bleiben werden, entsteht ein

Mischbetrieb von zentraler und dezentraler Energieproduktion. Dieser Mischbetrieb existiert

schon von Beginn weg, allerdings wird in den nächsten Jahren der dezentrale Anteil massiv

zunehmen und den Charakter des Versorgungsnetzes grundlegend verändern.

3.1.1 Auswirkungen und Herausforderungen der dezentralen

Energieversorgung

Dieser Strukturwandel bringt Herausforderungen in verschiedenen Bereichen der

Stromversorgung mit sich. Im Folgenden sind die für diese Arbeit relevanten aufgeführt.

Netzbetriebliche Herausforderungen

• Das aktuelle Schutzkonzept basiert auf dem Top-Down Prinzip. Im Störfall (Brand,

Kurzschluss etc.) müssen sämtliche einspeisenden Leitungen getrennt werden. Bei

einer zentralen Ausrichtung war dies in den meisten Fällen eine einzelne

Einspeisung. Bei dezentralen Einspeisepunkten ist die Richtung nicht immer klar. Die

Schutztechnik benötigt Richtungserkennung. Beispiel: Eine Scheune mit

Photovoltaikanlage gerät in Brand. Die Feuerwehr muss sowohl die Zuleitung des

öffentlichen Versorgers, als auch die Photovoltaikanlage selber vom Brandherd

trennen.

Energiewandel 12


© Roland Grob

• Endkunden, welche bisher einen geringen Strombezug hatten, sind üblicherweise mit

entsprechend angepassten Zuleitungen erschlossen. Eine dezentrale

Produktionsanlage kann eine um Faktoren grössere Leitungskapazität in die andere

Richtung verlangen. Das Netz muss ausgebaut werden. Beispiel: Ein abgelegener

Bauernhof baut eine grosse Biogasanlage. Die Produktion der Anlage ist zehnmal

höher als der Eigenverbrauch des ganzen Hofes. Die komplette Zuleitung muss

ersetzt werden.

Herausforderung Bedarfsgerechte Produktion

• Wetterabhängige Anlagen produzieren nur unter den gegebenen Bedingungen. In

Bezug auf Photovoltaik herrscht sogar ein gewisses Ungleichgewicht, da je

schlechter das Wetter, je höher der Stromverbrauch und je tiefer die Produktion.

• In der derzeitigen Situation können Kraftwerke sehr exakt geregelt werden. Lücken

können schnell geschlossen und Überschüsse kompensiert werden. Je höher der

Anteil an wetterabhängigen Stromversorgern ist, desto höher ist der Anteil an nicht

regelbarer Energie. Mit diesem Problem war und ist Deutschland mit seinen grossen

Windparkanlagen im Norden konfrontiert, wie der Bericht von Daniel Wetzel aufzeigt

(Wetzel, 2011). Wie im Bericht erwähnt, ist die Speicherung der Energie ein

möglicher Lösungsansatz, welcher später in dieser Arbeit genauer behandelt wird.

• Gerade Photovoltaik produziert nur während weniger Stunden pro Tag. Ein Ersatz

von den Kernkraftwerken durch Photovoltaikanlagen hätte somit gravierende

Auswirkungen auf die Netzbelastung. Angenommen man produziert dieselbe

Energiemenge der Kernkraftwerke mit Photovoltaikanlagen, müsste damit in wenigen

Stunden dieselbe Menge produziert werden, wie mit den Kernkraftwerken an einem

ganzen Tag. Die Leistungsspitzen und somit die Netzbelastungen wären um

Faktoren höher und die Verteilung in die sonnenfreien Stunden enorm aufwändig.

Herausforderung Wirtschaftlichkeit

• Die Investitionskosten bei Produktionsanlagen verlaufen selten linear, sondern

werden mit steigender Produktionsleistung proportional günstiger. Aus diesem Grund

verursachen kleinere Anlagen höhere Gestehungskosten für die produzierte Energie

als Grosskraftwerke.

Anton Gunzinger hat in seinem Bericht zum Thema Elektrizitätsversorgung der Schweiz von

morgen (Gunzinger, 2013) einen Denkanstoss zu dem Thema geliefert. Er hat über ein

gesamtes Jahr Wetterdaten aus der ganzen Schweiz ausgewertet und mittels einer

Simulation ermittelt, wie der Lastverlauf für das Gesamtsystem aussehen würde. In der

Simulation hat er so viele Photovoltaikanlagen platziert, dass die gesamte Energiemenge der

Kernkraftwerke produziert werden könnte. Selbstverständlich ist das Szenario sehr

Energiewandel 13


© Roland Grob

theoretisch und kaum realistisch. Da es jedoch eindrücklich die Problematik illustriert, wird es

auch in diesem Bericht verwendet.

Unten angeführt sind acht Grafiken welche einen Teil des Resultates der Simulation

aufzeigen. Der Erste Teil zeigt eine typische Sommerwoche mit viel Sonnenschein. Im

zweiten Teil ist eine typische Winterwoche mit kurzen Tagen und tiefem Sonnenstand

ersichtlich.

Es werden folgende 4 Szenarien behandelt:

1. Weiter wie bisher mit den bestehenden Anlagen

2. Nuklearersatz durch Solaranlagen

3. Erweiterung Szenario zwei mit zusätzlichen Windkraftanlagen

4. Teilersatz der Solar- und Windkraftanlagen in Szenario 3 durch konstante

Biomasseanlagen. Die Biomasse als Rohstoff kann gelagert werden und stellt somit

einen indirekten Energiespeicher dar. Aus diesem Grund wird in den

Sommermonaten mit überschüssiger Solarproduktion, keine Biomasseenergie

produziert.

In der folgenden Tabelle sieht man die installierten Leistungen der relevanten Komponenten

je Szenario.

Installierte

Leistungen je

Szenario

Nuklear Solar Wind Biomasse

1) Wie Bisher 3.43 GW 0 GW 0 GW 0 GW

2) Solar 0 GW 18 GW 0 GW 0 GW

3) Solar und

Wind

0 GW 18 GW 4.5 GW 0 GW

4) Solar, Wind

und Biomasse

0 GW 13.5 GW 3.6 GW 1 GW

Tabelle 1: Installation je Szenario

Das Hauptaugenmerk liegt, in Bezug auf diese Arbeit, auf der maximalen Netzbelastung,

dem Überschuss (beige) bzw. Defizit (violett) und dem Speicherbedarf (dunkel- und

hellblau).

Energiewandel 14


© Roland Grob

Abbildung 8: Verhalten in einer Sommerwoche

Schlussfolgerungen Sommerwoche

• Es zeigt sich, dass die maximale Netzbelastung um fast Faktor zwei steigt.

• Bei steigendem Anteil von Windkraft entstehen grössere Überschüsse, da die

Speicher in der Nacht weniger geleert werden und generell Mehr Energie zur

Verfügung steht. Wenn man davon ausgeht, dass die umliegenden Nachbarländer

ähnliche Strategien fahren, lassen sich diese Überschüsse im Gegensatz zu heute

nicht mehr wirtschaftlich verwerten.

• Durch den reduzierten Bedarf von Solar- und Windkraft und dank dem Einsatz von

Biomasse, entsteht auch in den Sommerwochen eine geringere Belastung der Netze.

• Der hohe Solaranteil lässt es zu, dass die kurzfristigen Pumpspeicher täglich neu

gefüllt werden können und nicht auf die langfristigen Saisonalspeicherkraftwerke

zugegriffen werden muss.

Energiewandel 15


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Abbildung 9: Verhalten in einer Winterwoche

Schlussfolgerungen Winterwoche

• Die Netzbelastung hat nur vereinzelt Mehrbelastungen.

• Der steigende Anteil von Windkraft reduziert den Bedarf an langfristigem Speicher.

• Die 1 GW konstante Biomasseenergie kompensiert die Lücke der um 5.4 GW

reduzierten Solar- und Windkraft.

• Die fehlenden Überschüsse lassen keinen Einsatz der kurzfristigen Speicher mehr

zu. Für die Kompensation in der Nacht muss vollumfänglich auf die langfristigen

Speicher zugegriffen werden.

Fazit aus der Simulation

Es zeigt sich, dass die Umstellung des Grundkonzeptes in der Theorie funktionieren könnte.

Es entstehen aber neue Herausforderungen, welche nicht mehr mit rein physikalisch-

passiven Konzepten gelöst werden können.

Die grösste Herausforderung stellt die Harmonisierung von Verbrauch und Produktion dar.

Bedarfsgerechte Produktion bzw. Verfügbarkeitsgerechter Verbrauch sind dabei die grossen

Knackpunkte. Die Verbraucher müssen ihr Bezugsverhalten ändern und die Produktion muss

die Energieverfügbarkeit zeitlich erweitern.

Energiewandel 16


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3.1.2 Problementschärfung durch den Einsatz von Speichern

Die Simulation zeigt, dass die Deckung des schweizerischen Energiebedarfs mit

erneuerbarer Energie im Grundsatz machbar ist. Jedoch ist auch ersichtlich, dass dies nur

unter massivem Einsatz von Energiespeichern umsetzbar ist. Die aktuelle Situation verlangt

allerdings einen grossen Energietransport zu den, ebenfalls zentral angesiedelten,

Speicherkraftwerken. Dies hingegen belastet die bestehende Netzinfrastruktur.

Heute können die Speicherkraftwerke von wenigen Punkten her mit Strom versorgt werden,

in dem Modell müssten die Überschüsse aus einer hohen Anzahl von Anlagen aus der

ganzen Schweiz zu den Pumpen geliefert werden.

Neben der Produktion der Energie und der Anpassung des Konsumverhaltens, spielt die

dezentrale Speicherfrage in Produktionsnähe für die Energiezukunft Schweiz eine wichtige

Rolle und kann einen entscheidenden Beitrag zur Entlastung der Netze leisten.

Smart Grid 17


© Roland Grob

4 Smart Grid

Im Zusammenhang mit der Thematik der erneuerbaren Energie und zukünftigen

Entwicklungen fällt immer wieder der Begriff von „Smart Grid“. Das intelligente Netz also. Es

finden sich viele Definitionen für den Begriff von unterschiedlichsten Gremien und Autoren.

Für diese Arbeit ist allerdings nicht das gesamte Netz relevant, sondern behandelt die

Thematik geschlossener Einzelsysteme. Aus diesem Grund wird der Ausdruck „Smart Micro

Grid“ verwendet, welcher beispielsweise auch von Price Waterhouse Coopers in ihren

Publikationen zu dem Thema benutzt wird.

4.1 Begriffsdefinition Smart Micro Grid

Die Begriffsdefinition lehnt sich an unterschiedliche Quellen, wird aber explizit für diese

Arbeit festgelegt.

Das Micro Grid ist die Ebene zwischen dem Gesamtsystem und den Einzelkomponenten der

Energieversorgung. Es stellt die Kombination von Verbrauchern und Produzenten dar. Es

kann sich um nur zwei Teilnehmer, oder um grössere Netze wie beispielsweise einem

Wärmeverbund oder einem Bioenergiedorf handeln.

Smart wird ein Micro Grid dann, wenn es sich selber gemäss definierten Vorgaben in einem

gewissen Masse reguliert. Das heisst die Charakteristika der Komponenten werden

aufeinander abgestimmt und weisen ein besseres Gesamtverhalten innerhalb des

Gesamtsystems aus, als wenn sie unabhängig voneinander betrieben werden. Es findet eine

interne Kompensation der externen Einflüsse statt.

Die Harmonisierung kann durch eine rein passive Konzeption und Zusammenschaltung der

Teilnehmer, oder durch den zusätzlichen Einsatz von ICT- und Speicherkomponenten

erfolgen.

4.2 Komponenten eines Smart Grid

In ihrer Publikation zum Thema Virtuelle Kraftwerke (Albersmann, et al., 2012) hat die

Pricewaterhouse Coopers AG 2012 folgendes Grundmodell für Smart Grid definiert.

Smart Grid 18


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Abbildung 10: PWC Smart Grid Modell

Diese Darstellung zeigt, stark zusammengefasst, die Herausforderungen und Möglichkeiten

welche für die Energiezukunft relevant sind. Die Themengebiete beinhalten die bereits

erwähnten Herausforderungen in den Bereichen Netzbetrieb, bedarfsgerechte Produktion

und der Wirtschaftlichkeit.

• Smart Home beinhaltet die Optimierung und Regulierung von Verbrauchern in

Haushalten von übergeordneter Stelle. Zweck ist es, durch die zentrale Steuerung

einer grossen Masse von verhältnismässig kleinen Verbrauchern die Netze zu

entlasten und den Bedarf der Produktion anzunähern.

• Smart Metering liefert die nötigen Daten für jegliche Regulierungsmassnahmen und

hat somit Einfluss auf sämtliche Teilgebiete.

• Das Engpassmanagement dient der Harmonisierung von Verbrauch und

Produktion. Ziel ist es Produktionsengpässe vorauszusehen und entsprechende

Gegenmassnahmen einzuleiten.

• Mit dem Demand Side Management wird man den unterschiedlichen Tarifmodellen

gerecht und fördert somit die Wirtschaftlichkeit der Anlagen.

• Die Speichertechnologien und die Elektromobilität dienen der Netzentlastung und

der bedarfsgerechten Produktion.

• Mit virtuellen Kraftwerken ist der Zusammenschluss verschiedener dezentraler

Produzenten gemeint. Das System wird gegen aussen als ein einzelnes Kraftwerk

Smart Grid 19


© Roland Grob

betrachtet und kann intern optimiert werden. Virtuelle Kraftwerke sind eine

Ausprägung von einem Smart Micro Grid und bringen Mehrwerte in sämtlichen

Belangen.

Um dem Titel dieser Arbeit gerecht zu werden, kann das Modell von PWC als Beschriftung

der einzelnen Fächer im Baukasten für Smart Grid kategorisiert werden. Für eine

ausführliche Behandlung des Themas muss das Modell detaillierter aufgeschlüsselt werden.

Es lassen sich drei Kategorien mit unterschiedlichen Eigenschaften definieren:

• Nicht direkt beeinflussbare Rahmenbedingungen wie Tarifmodelle, Wetterverhalten,

Messdaten etc.

• Smart Grid Prinzipien, die auf Grundlage der Rahmenbedingungen, mit Hilfe von ICT

und Steuerungstechnik, die Optimierungsmassnahmen umsetzen.

• Physikalische Komponenten, deren Verhalten durch die Smart Grid Prinzipien

verbessert werden kann.

Die Kombination der Komponenten erfolgt schrittweise. Anhand der Rahmenbedingungen

lassen sich die Prinzipien und deren Mehrwert ableiten. Die Rahmenbedingungen und die

Eigenschaften der physikalischen Komponenten zeigen auf, welche Prinzipien in dem

entsprechenden System angewandt werden können.

Wie bereits beschrieben wird für diese Arbeit das Modell eines Baukastens erarbeitet. Dieser

Ansatz soll der Komplexität der Systeme entgegenwirken. Jedes System hat von aussen

betrachtet sehr unterschiedliche Eigenschaften und ist mit verschiedenen äusseren

Einflüssen konfrontiert. Je nach verwendeter Komponenten, Dimensionierung,

wirtschaftlicher und rechtlicher Rahmenbedingungen oder auch der geografischen Lage,

können sich physikalisch ähnliche Anlagen komplett unterschiedlich verhalten. Mit dem

Baukastenprinzip sollen die Systeme in Teileinheiten zerstückelt werden, welche in ihrer

separaten Betrachtung wieder Standardeigenschaften aufweisen. Somit kann ein System

von innen heraus analysiert und optimiert werden.

Abbildung 11 zeigt eine mögliche Zusammensetzung des Baukastens für die Smart Micro

Grid Betrachtung.

Smart Grid 20


© Roland Grob

Smart Micro Grid

Dezentrale Temperatur-abhängige

Wärmeproduktion

Dezentrale regelbare

Stromproduktion

Übergeordnete Stromquelle

Verbrauchs-prognose

Messdaten

Tarifmodelle

Dezentrale Wind-abhängige

Stromproduktion

Rechtliche Bestimmungen

Meteoprognosen

Dezentrale regelbare

Wärmeproduktion

Dezentrale Sonnenstrahlungs-

abhängige Wärmeproduktion

Dezentrale Sonnenstrahlungs-

abhängige Stromproduktion

Thermische Speicher

Hybridsysteme

elektrische Speicher

Produktions-prognose

Demand – Side - Management

Speicher -Management

Anlagen-steuerung

Merit-Order Management

Zeitunabhängige Verbraucher

Zeitkritische Verbraucher

Abbildung 11: BaukastenSmart Micro Grid

Die dunklen Kreise stellen die physikalischen Komponenten wie Produzenten,

Verbraucher und Speicher dar.

Die hellgrauen Kreise stellen externe Einflüsse dar wie rechtliche Vorgaben,

Wetterdaten, gemessene Daten und Tarife.

Die orangen Felder sind aktive, regulatorische Komponenten und Smart Grid

Prinzipien, welche mit Hilfe von ICT Lösungen aktiv in den Prozess

eingreifen.

Smart Grid 21


© Roland Grob

Im Folgenden werden die einzelnen Komponenten des Baukastens oberflächlich

beschrieben. Eine detaillierte, funktionale Beschreibung der einzelnen Komponenten würde

den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Im Anschluss wird anhand eines Modellsystems und

eines konkreten Beispiels aus dem Bereich der Photovoltaik das Prinzip des Baukastens

erklärt.

4.2.1 Rahmenbedingungen

Die Rahmenbedingungen stellen Indikatoren dar, welche auf die Volatilität des

Gesamtsystems hinweisen. Neben den Schwankungen von Verbrauch und Produktion,

wirken auch gesellschaftliche und politische Faktoren auf das System ein. Bau- und

Umweltvorschriften sind genau so vielfältig, wie wirtschaftliche Systeme zum Beispiel

Rohstoffpreise und Tarifmodelle.

Element Beschreibung Smart Grid Relevanz

Die Erfassung von Messdaten hat

mit der Verbreitung von Smart

Metering stark zugenommen.

Durch die Nutzung der

verbreiteten

Kommunikationsmöglichkeiten

werden Daten dezentral erfasst,

über Datenleitungen transportiert

und zentral gespeichert und

ausgewertet.

Messdaten zeigen immer die nicht

mehr beeinflussbare

Vergangenheit und können für die

Gestaltung zukünftiger

Optimierung verwendet werden.

Aus Messdaten können

Verhaltensmuster und

Funktionalitäten der Systeme

ermittelt werden, welch mit

entsprechender Analyse allfällige

Verbesserungspotentiale

aufzeigen können.

Auch wenn Smart Metering

hauptsächlich für die Verrechnung

verwendet wird, bildet es eine

wichtige Komponente im Bereich von

Smart Grid. Langzeitmessungen

können in Kombination mit

Echtzeitdaten für Prognosesysteme

verwendet werden. Auch können

Messdaten auf Unstimmigkeiten im

System hinweisen, wenn

beispielsweise eine

Photovoltaikanlage, verursacht durch

einen heruntergefallenen Ast,

plötzlich in Relation zu anderen,

nahestehenden Anlagen, weniger

Energie produziert.

Smart Grid 22


© Roland Grob

Siehe 2.4 Tarifmodelle Die Tarifmodelle haben grundsätzlich

einen regulierenden Einfluss im

Smart Micro Grid Kontext. Für den

Anlagenbetreiber dienen sie

allerdings vorrangig der

wirtschaftlichen Optimierung.

Verschiedene Wetterdienste

stellen Prognosedaten für die

Wettervorhersage zur Verfügung.

Diese können für definierte

Regionen und Zeiträume

angefordert werden.

Die Genauigkeit der Daten steigt

mit der Verkürzung der

Vorhersagezeit.

Die Wetterprognose dient als

Grundlage für jegliche Arten von

Prognosen in diesem Kontext.

Beispiele dafür sind Wärmebedarfs-,

Produktions- und

Verbrauchsprognosen.

Sich ankündigende

Versorgungslücken, bzw.

Überschüsse können hiermit

rechtzeitig erkannt und entsprechend

behandelt werden.

Rechtliche Bestimmungen geben

die Rahmenvorgaben für die

Bewilligung neuer Anlagen vor.

Für den Bezug der

Kostendeckenden

Einspeisevergütung bei

Biogasanlagen muss

beispielsweise ein minimaler Anteil

der Wärme genutzt werden.

Vorstellbar sind auch zukünftig

Vorgaben zum Eigenverbrauch.

Der gesetzliche Einfluss spielt

hauptsächlich in der Konzeption einer

Anlage eine Rolle. Allfällige

Wärmverbraucher oder Speicher

müssen in das Konzept einfliessen

und in der

Wirtschaftlichkeitsrechnung

berücksichtigt werden. Ein

intelligentes Konzept kann somit zu

ökologischem, oder ökonomischem

Mehrwert führen.

Smart Grid 23


© Roland Grob

4.2.2 Smart Grid Prinzipien

Diese Prinzipien stellen die eigentliche Intelligenz dar. Sie ermitteln mögliches Potential aus

den Rahmenbedingungen und schöpfen durch den Einsatz von ICT Mitteln einen Mehrwert

aus den Systemen. Auch wenn bereits heute sehr viel Informationstechnologie im Einsatz ist,

unterscheiden sich die Smart Grid Komponenten doch stark davon. Sie vereinen

physikalische, technische und administrative Vorgaben in Einem. Einen grossen Teil stellen

dabei Datenbankfunktionalitäten dar, welche die riesige Menge an Daten aufbereitet und

auswertet. Auch müssen die Systeme sehr flexibel aufgebaut sein, da jedes Micro Grid

individuelle Eigenschaften mit sich bringt und sich die Rahmenbedingungen teilweise sehr

kurzfristig ändern können.


Die Produktions- bzw.

Verbrauchsprognose wird aus

unterschiedlichen Komponenten

gewonnen. Zum einen fliessen die

charakteristischen Eigenschaften

der Anlagen in die Prognose ein,

zum andern werden ausgewertete

Messdaten dazu verwendet.

Zusätzlich können externe

Einflüsse wie

Konsumentenverhalten und

dergleichen Einfliessen. Diese

Rahmenbedingungen werden mit

einer Meteoprognose

gegengerechnet, was einen zu

erwartenden Verlauf hervorbringt.

Prognosen bringen vor allem in der

Kombination von Verbrauch und

Produktion einen Mehrwert. Somit

können zu erwartende

Versorgungslücken, bzw.

Überschüsse, oder auch

Rohstoffknappheit erkannt werden.

Eine Prognose erhöht den zeitlichen

Handlungsspielraum um

beispielsweise ein Backupsystem

rechtzeitig hochzufahren, oder

Speicherplatz zur Verfügung zu

stellen.

Die Merit-Order ist die

Einsatzreihenfolge der Kraftwerke,

die durch die variablen Kosten der

Stromerzeugung bestimmt wird.

Dabei werden zuerst die

günstigsten Kraftwerke zur

Deckung der Nachfrage

aufgeschaltet, das letzte Kraftwerk

Mit dem Merit Order Effekt können in

Kombination mit Prognosen die

variablen Kosten einer Anlage

gesenkt werden.

Kostenverursachende Anlagen

werden so wenig und spät wie

möglich in Betrieb genommen um

unnötige Verluste durch zu hohe

Smart Grid 24


© Roland Grob

mit den höchsten Grenzkosten,

das zur Deckung der Nachfrage

benötigt wird, bestimmt den Preis.

(Genoese)

Vorlaufzeiten zu reduzieren. Die

Energie von PV und

Windkraftanlagen, deren Grenzkosten

gegen Null gehen wird maximal

ausgenutzt.

Die Anlagensteuerung wird mit

klassischer Automations- und

Leittechnik realisiert. Teilweise ist

sie in den Anlagen bereits

vorhanden, für erweiterte

Anwendungen muss sie allenfalls

ausgebaut werden.

Die Anlagensteuerung setzt die aus

den verschiedenen

Datenbankauswertungen gewonnen

Erkenntnisse in die Praxis um. Der

Vorteil der Automation ist die flexible

und zeitnahe Reaktion auf geänderte

Umstände. Auch kann dank der

Vernetzung der Wirkungskreis mittels

eines zentralen Leitsystems auf

mehrere Anlagen erweitert werden.

Ein weiterer Vorteil von

Steuerungssystemen ist die

Überwachung der Anlagen. Mit einem

Soll – Ist Vergleich der Funktionalität

der Anlagen können Fehlfunktionen

schnell erkannt und Ausfallzeiten

reduziert werden.

Das Speichermanagement

berücksichtigt den aktuellen Status

der Speicher und die Verwendung

dieser. Der Status beinhaltet die

Speicherstand, Ladeströme und

dergleichen.

Mit der gezielten Verwendung

kann die Lebenszeit von Akkus

maximiert werden.

Ein wachsender Bereich ist die

Verwendung der Elektrospeicher

aus dem Bereich der Mobilität.

Speicher sollten immer mit einem

Blick in die nahe Zukunft betrachtet

werden. Bei sich ankündigenden

Lücken oder Überschüssen muss der

Speicherstand entsprechend

vorbereitet werden.

Bei der Verwendung von Akkus aus

dem Mobilitätsbereich muss darauf

geachtet werden, dass der Fahrer

niemals einen entleerten Akku

vorfindet. Auch bringt es nichts

Speicherumsatz zu generieren, wenn

die entsprechenden Tarife ungünstig

sind.

Smart Grid 25


© Roland Grob

Der Oberbegriff «Demand Side

Management» (DSM) beschreibt

sehr allgemein die zielgerichtete

Beeinflussung der Lastkurve im

Stromnetz. (Koch, 2011)

Im Gegensatz zur üblichen

Regulierung der

Produktionsanlagen zielt das

Demand Side Management auf die

Regulierung der Verbraucherseite.

Die Stromversorger haben mit den

unterschiedlichen Tarifen einen

ersten Schritt in diese Richtung

gemacht. Auch das weit

verbreitete Rundsteuersystem,

welches Boiler und

Waschmaschinen Einsätze steuert

dient diesem Zweck.

Das Demand Side Management wird

mit Zunahme der wetterabhängigen

Stromproduktion immer wichtiger. Im

Gegensatz zu vergangenen

Anwendungen, welche auf starren

Zeitmodellen basieren, ist allerdings

zukünftig mehr Flexibilität gefordert.

Es muss kurzfristig auf die Resultate

der unterschiedlichen Prognosen

reagiert werden können.

Smart Grid 26


© Roland Grob

4.2.3 Physikalische Komponenten

Dieser Teil beschreibt die herkömmlichen Teilnehmer der Energieversorgung, wie sie seit

Jahrzehnten im Einsatz sind. Sie alle haben unterschiedliche Eigenschaften, können

allerdings klassifiziert und gruppiert werden. Je nach Typ und Kombination mit anderen

Komponenten, zeigen unterschiedliche Massnahmen Wirkung.


Als übergeordnete Stromquelle

wird das Gesamtsystem

bezeichnet. Also im Falle eines

dezentrales Systems das nächste

Ortsnetz, an welches das Micro

Grid angebunden ist.

Das Gesamtsystem dient als

Backupsystem bei fehlender

Produktion, aber auch als Abnehmer

von allfälligen Überschüssen. Es gilt

die Einwirkung auf das übergeordnete

System auf ein Minimum zu

beschränken.

Photovoltaikanlagen stellen den

wohl am stärksten wachsenden

Anteil dar. Sie können mit

verhältnismässig geringem

Installations- und Betriebsaufwand

betrieben werden.

Die Investitionskosten sind zwar

fallend, allerdings immer noch

verhältnismässig hoch. Auch

verursachen die direkte

Wetterabhängigkeit und die schnellen

Schwankungen hohe

Herausforderungen.

Zentrale Elemente zur Verbesserung

von PV-Anlagen sind die Speicher-

und Prognoseprinzipien.

Thermosolaranlagen für die

Produktion von Warmwasser sind

eine äusserst effektive Methode

um den CO2 Ausstoss zu

reduzieren.

Die Wetterabhängigkeit ist auch in

dieser Technologie eine

Schlüsselkomponente. Erschwerend

kommt der gegenläufige Verlauf von

Bedarf und Produktion. Gerade bei

fehlendem Sonnenschein sind

Heizungssysteme verstärkt gefragt.

Die einfache Speichermöglichkeit von

Wärme entschärft die Situation, bei

längeren Kälteperioden sind aber

unweigerlich Backupsysteme

Smart Grid 27


© Roland Grob

gefordert.


von PV-Anlagen sind die Speicher-

und Prognoseprinzipien.

Regelbare Energieproduktion wird

mit Blockheizkraftwerken

umgesetzt, welche mittels eines

Brennstoffes einen herkömmlichen

Generator betreiben. Sie können

mit verschiedenen Treibstoffen wie

Holzschnitzel, Bio- bzw. Erdgas,

Öl etc. betrieben werden.

Diese Kraftwerke verursachen

immer einen grossen Anteil von

Abwärme, welche im Idealfall auch

genutzt werden kann. In diesem

Fall spricht man von sogenannten

Hybridsystemen welche separat

behandelt werden.

Im Smart Grid Bereich sind die

Blockheizkraftwerke ideale

Backupsysteme für die

wetterabhängigen Systeme. Die

Rohstoffe sind gut speicherbar und

die Energie kann zeitnah abgerufen

werden.

Das Demand Side Management hilft

die zur Verfügung stehenden

Rohstoffe möglichst gewinnbringend

einzusetzen.

Die regelbare Wärmeproduktion

geht Hand in Hand mit der

Regelbaren Stromproduktion. Die

Systeme nutzen allerdings keine

Energie für den Antrieb eines

Stromgenerators, sondern

verwenden alles für die

Wärmeproduktion.

Im Smart Grid Bereich sind die

Blockheizkraftwerke ideale

Backupsysteme für die

wetterabhängigen Systeme. Die

Rohstoffe sind gut speicherbar und

die Energie kann zeitnah abgerufen

werden.

Mit der Kombination von Prognose-

und Merit Order Prinzip können die

Verluste auf ein Minimum reduziert

werden.

Windkraftwerke sind wie die

Photovoltaikanlagen

wetterabhängig. Sie bringen

allerdings den Vorteil, dass sie

auch in der Nacht produzieren

Windkraftwerke können in

Kombination mit Photovoltaik eine

gewisse Kompensation bei fehlender

Sonnenstrahlung mit sich bringen.


Smart Grid 28


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können, wenn die Verhältnisse

passen.

von Windkraftanlagen sind die

Speicher- und Prognoseprinzipien.

Wärmepumpen unterschiedlichste

Bauweisen beziehen mittels eines

Mediums Wärme aus der

Umgebung, welche im Anschluss

für Heizzwecke genutzt werden

kann.

Wärmepumpen gelten als sehr

zuverlässige und konstante Form der

Wärmeproduktion, was ihre rasant

steigende Verbreitung erklärt. In

Kombination mit einem

Wasserspeicher können sie auch für

die Abnahme von Überschussenergie

im Strombereich verwendet werden.

Im Falle von Luftwärmepumpen kann

mit Speichermanagement und

Prognosesystemen ein gewisser

Mehrwert generiert werden.

Hybridsysteme kombinieren

mehrere Aspekte der

Energieproduktion in sich. Das

bekannteste Beispiel ist das

Blockheizkraftwerk, bei welchem

die Abwärme der Stromproduktion

für Heizzwecke verwendet wird.

Eine weitere Möglichkeit bietet die

Solarenergie.

Hybridwärmepumpen, welche

sowohl die Abwärme aus der Luft,

als auch die Thermosolarenergie

der Sonnenstrahlung nutzen,

können kombiniert mit

Photovoltaik und einem Speicher

zu einem komplett

selbstversorgenden System

werden.

Hybridsysteme stellen schon kleine

Smart Grid’s dar und gehören genau

genommen nicht zu den

Einzelkomponenten. In dieser

Auflistung werden sie allerdings

wegen den Blockheizkraftwerken

verwendet, welche grundsätzlich

immer den doppelten Nutzen

mitbringen. Die Herausforderung

dabei ist es, die Anforderungen der

Wärme- und Stromverbraucher in

Einklang zu bringen. Auch spielt hier

das Tarifmanagement eine grosse

Rolle um beim Verkauf der Energie

den grösstmöglichen Ertrag zu

erzielen.

Smart Grid 29


© Roland Grob

Beim Speichern von elektrischer

Energie unterscheidet man von

der direkten und indirekten

Speicherung. Direkte Speicher

sind Akkumulatoren, welche direkt

die elektrische Energie aufnehmen

und auch wieder abgeben.

Indirekte Speicherung ist das

Zurückhalten von potentieller oder

kinetischer Energie.

Beispielsweise in einem

Speichersee, oder auch in

Schwungrädern.

Speicher dienen hauptsächlich der

Kompensation von Schwankungen

jeglicher Art. Sie helfen die Belastung

der Infrastruktur zu reduzieren und

Energie, welche zu tiefen

Gestehungskosten produziert wurde,

zu späteren Zeitpunkten zu

verbrauchen.

Jeder Speicher verursacht allerdings

auch Betriebskosten. Dies durch eine

beschränkte Anzahl Ladungszyklen,

Speicherverlusten oder allgemeinem

Unterhalt. Aus diesem Grund muss

Ihr Einsatz genau geplant werden.

Eine Schlüsselrolle spielt dabei das

Demand Side Management.

Thermische Speicherung erfolgt

über ein Medium, welches die

produzierte Energie aufnimmt,

erhält und zu einem späteren

Zeitpunkt wieder abgibt.

Auch hier liegt der Hauptzweck in der

Kompensation von Schwankungen.

Auch spielen die Betriebskosten und

Energieverluste eine grosse Rolle

beim optimalen Einsatz der Speicher.

Je nach Produktionsmedium kommt

hier das Demand Side Management

oder das Merit Order Prinzip zum

Einsatz.

Zeitkritische Verbraucher sind,

abhängig von ihrem

Verwendungszweck, an einen

bestimmten Zeitpunkt gebunden.

Sie stellen den grössten Teil der

Verbraucher dar. Beispiele sind

die Haushalte, welche alle um die

Mittagszeit die Kochherde

einschalten, oder

Industriebetriebe, welche ihren

Maschinenpark währen den

Diese Art der Verbraucher gibt den

Verlauf der Produktion vor. Sämtliche

Produktionsanlagen müssen so weit

möglich an diesen Verlauf angepasst

und entsprechend reguliert werden.

Auf diese Art der Verbrauch kann

nicht direkt eingewirkt werden,

allerdings sind ihre Messdaten

Einflussfaktoren für die

Prognosesysteme.

Smart Grid 30


© Roland Grob

Arbeitszeiten betreiben.

Zeitunabhängige Verbraucher

verfügen üblicherweise über einen

eigenen Speicher. Dieser kann

innerhalb eines Zeitraumes mit

einer gewissen Flexibilität

aufgeladen werden. Beispiele sind

Elektroboiler, oder Wärmepumpen

mit einem Zwischenspeicher.

Diese Art der Verbraucher bilden eine

Form des indirekten Speichers. Sie

können, im eingeschränkten Rahmen,

Schwankungen der Produktion

ausgleichen, indem sie bei

Überproduktion Energie aufnehmen,

oder im Falle von Überlast die

Energieaufnahme reduzieren. Die

Kombination von Prognosesystemen

und Tarifmanagement hilft die

Verbrauchskosten zu reduzieren.

Smart Grid 31


© Roland Grob

4.3 Nutzen des Smart Grid

In den vorangehenden Kapiteln wurden hauptsächlich die Herausforderungen und Prinzipien

des Smart Grid Gedankens beschrieben. Dieses Unterkapitel befasst sich mit drei konkreten

Mehrwerten, welchen solche Systeme mit sich bringen.

Die ökologischen Mehrwerte stehen in der Energiezukunft im Vordergrund. Der

augenscheinlichste Vorteil ist die Substitution der bestehenden fossilen und atomaren

Energiequellen, durch die neuen erneuerbaren Energieträger. Dies soll die atomaren Abfälle

und den CO2 Ausstoss nachhaltig reduzieren und die Konsequenzen unserer Gesellschaft

für unseren Planeten minimieren.

Der Smart Grid Gedanke bringt zudem einen Mehrwert für die an sich schon „grünen“

Energien mit, indem die vorhandenen Ressourcen effizienter genutzt werden. Dies geschieht

hauptsächlich durch das Vermeiden von Verlusten.

Mit der ökonomischen Optimierung wird die Attraktivität der regenerativen Energieträger

erhöht. Die Gestehungskosten sind nach wie vor höher als die Kosten für die angebotene

Energie aus Grosskraftwerken. Die Kostendeckende Einspeisevergütung wirkt dieser

Tatsache entgegen und fördert somit die Investitionsbereitschaft der Gesellschaft. Es stellt

sich die Frage ob es auch einen Weg ohne Subventionen gibt.

Die ökologische Optimierung bringt mit der Verlustreduktion automatisch auch einen

finanziellen Mehrwert mit sich, da bei kostenverursachenden Energieträgern weniger

Ressourcen für dasselbe Resultat benötigt werden. Auch Backupsysteme von Solar- und

Windkraftanlage werden weniger beansprucht, wenn die Energie bedarfsgerechter zur

Verfügung steht. In diesem Kontext kommt das Merit Order Prinzip zum Zug.

Smart Grid 32


© Roland Grob

Eine reine wirtschaftliche Verbesserung, aus Sicht der Anlagenbetreiber, bringt das Demand

Side Management mit sich. Die selbst produzierte Energie wird dann verwendet, wenn der

Einkaufspreis am höchsten ist und Backup Energie wird zum günstigsten Zeitpunkt

eingekauft.

Das Thema Residual Energie gewinnt mit Zunahme der nicht regelbaren Energieproduktion

an Wichtigkeit. Vereinfacht gesagt beschreibt sie die Wirkung eines Micro Grid als

geschlossene Einheit innerhalb eines Gesamtsystems. Die Summe der intern produzierten

und verbrauchten Energie ergibt aus Sicht des übergeordneten Versorgers einen einzelnen

Lastgang. Während Rüdiger Paschotta in seiner Definition vornehmlich auf die Backup

Systeme hinweist, ist die Residualenergie auch für die Verteilnetzbetreiber relevant. Ein

ehemals konstanter Verbraucher, kann durch den Ausbau eigener Energieproduktion zu

einer um Faktoren höheren und unvorhersehbareren Netzbelastung führen.

Die Optimierung der Residualenergie bringt somit in erster Linie einen Vorteil für die

übergeordnete Ebene und kann als eine Art volkswirtschaftlicher Nutzen betrachtet werden.

Wenn die gesamte Netzbelastu

baukasten erneuerbare energien – wie mit intelligenten...

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