Integration erneuerbarer Energien

Im Gegensatz zur Stromproduktion aus erneuerbaren Energien findet sich im Stromverbrauch ein recht eindeutiges Profil. So ist der Strombedarf tagsüber rund 50 % höher als nachts und jeweils an den Wochenenden geringer als an den Werktagen, da dann viele Unternehmen nicht arbeiten. Genauso lassen sich aber auch die Feiertage und sogenannte Brückentage aus dem Stromprofil herauslesen.

Wie wird sich der Verbrauch wohl verändern?

Durch Verwendung von LEDs wird der Strombedarf nachts sinken, wenn wir nicht den typischen Reboundeffekten erliegen. Gleichzeitig werden die steigende Digitalisierung und die zunehmend auftauchenden zentralen und dezentralen Server dafür sorgen, dass ein eher konstanter Stromverbrauch hinzukommt – auch an Wochenenden.

Bei genauer Betrachtung fällt auf, dass der Strombedarf in den Wintermonaten höher ist. Deshalb wurde hier der Strombedarf je Wochentag entsprechend der Tagesmitteltemperatur geordnet.

Es zeigt sich ein Trend, wonach der Strombedarf um 10 bis 12 % zwischen den kältesten Tagen und jenen mit bis zu 15°C abnimmt und bei höheren Tagesmitteltemperaturen in einem gewissen Band konstant ist.

Diese Zunahme des Strombedarfes mit sinkenden Temperaturen wird in Zukunft deutlich steigen, da immer mehr Wärmepumpen die Wärmeversorgung übernehmen. Bereits in den letzten 6 Jahren dürfte sich dieser Trend deutlich verstärkt haben.

Mit diesem Profil des Strombedarfes, den zuvor betrachteten Profilen für Solar- und Windenergie sowie Strom aus Biogasanlagen und der hier aufgeführten Entwicklung der Installation an erneuerbaren Energien, stellt sich die Frage:

Wieviel erneuerbare Energie kann in unser Netz integriert werden?

Dabei treffe ich die Annahme, dass alle Speicher derzeit für die Netzstabilität beansprucht werden, und keine weitere Unterstützung liefern können. Wasserkraft wurde mangels Daten nicht berücksichtigt. Für die gewählte Peakleistung der Biogasanlagen wurde davon ausgegangen, dass jeder Landwirt mit ausreichend bewirtschafteten Fläche eine Biogasanlage von 75 kW besitzt.

Ohne Flexibilität bei der Stromnachfrage und bei Blockheizkraftwerken, sowie Biogasanlagen ist bereits bei einer Peakleistung von 590 MW Schluss, wenn keine Energie verschwendet werden soll. Damit ist aber nur ein Anteil von 22 % an erneuerbaren Energien im Stromnetz möglich.

Wird die Tagesproduktion betrachtet, ist dieser Grenzwert unerklärlich, da an keinem Tag der Bedarf auch nur annäherungsweise 100 % durch erneuerbare Energien abgedeckt wird.

Aber es gibt zwei kritische Situationen, die im Folgenden betrachtet werden. Einmal ist es ein Zeitraum mit sehr viel Windenergie im Winter der problematisch sein kann, weil es sich hier nicht um einen kurzfristigen Peak handelt, der sich einfach puffern ließe. Zum anderen im Sommer, wenn zu allem Unglück an einem Feiertag viel Sonnenenergie eingespeist wird und hier am frühen Nachmittag 100 % des Strombedarfes abgedeckt wird.

Hier zeigt sich, dass ein Hauptproblem darin besteht, dass subventionierte Biogasanlagen die Einspeisung von Wind- und Solarenergie beeinträchtigen. Gleiches gilt für die Blockheizkraftwerke.

Deshalb werden hier Blockheizkraftwerke wärmegeführt bis 7°C betrieben, wie im Jahresprofil zu erkennen ist. Der Vorteil, wenn Biogasanlagen über einen 24-Stunden Speicher und 50 % mehr Peakleistung verfügen, lässt sich aber nur im Tagesprofil erkennen, wo Wind- und Solarenergie sinnvollerweise Priorität haben. Dadurch lässt sich die integrierbare Leistung deutlich steigern, aber immer noch können nur 29 %  des Bedarfs durch erneuerbare Energien abgedeckt werden.

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Durch die kluge Steuerung im Sinne eines Smart Grids von Wasch- und Spülmaschine sowie Trockner lassen sich rund 35 MW mit einer Energiemenge von 105 MWh verschieben, die hier als Puffer moduliert werden. Allein damit lässt sich die installierbare Peakleistung auf 965 MW steigern und dadurch den Anteil an erneuerbaren Energien auf 32 % erhöhen.

Aber was wäre notwendig um annäherungsweise 100 % an erneuerbare Energien zu erreichen? Es bedürfte 2840 MW an erneuerbaren Energien. Biogas müsste sich 200 Stunden speichern lassen, und es wäre eine Pufferleistung von 1 300 MW mit einer Speicherkapazität von 22 Stunden notwendig, die sich aus Potenzialen eines Smart Grids, aber auch aus echten Speichersystemen ergeben müssten. Mit 90 % an erneuerbaren Energien sehen die beiden kritischen Phasen wie hier gezeigt aus. Dem Smart Grid muss somit eine sehr große Bedeutung zugesprochen werden, aber vor allem der alternativen Nutzung von elektrischem Strom.

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Dieser Beitrag ist auch zu finden bei: einfachnachhaltigbesserleben.blogspot.de

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Analyse der Windenergie

Was in den Grafiken im Video zu sehen ist, stellt die Stromproduktion aus dem Jahre 2011 von Windkraftanlagen in Luxemburg mit einer installierten Peakleistung von 42 Megawatt dar.

Wie durch die grauen Kurven zu erkennen ist, unterliegt die Stromproduktion sehr starken und unregelmäßigen Schwankungen, wobei sich gleich drei Herausforderungen für die Nutzung von elektrischem Strom aus Windkraftanlagen ergeben. Zum einen ist das die eingespeiste Peakleistung, die sich zu jeder Tages- und Jahreszeit ergeben kann. Zum anderen sind es die beiden Extreme von einer längeren Periode mit jeweils sehr viel oder sehr wenig Wind, die die meisten Speichertechnologien an ihre Grenzen bringen.

Wann wird Windenergie gewonnen?

Generell wird gesagt, dass Windenergie überwiegend in den Wintermonaten anfällt, aber 2011 waren die Unterschiede zwischen Sommer- und Wintermonaten eher moderat, außer im Dezember in welchem mehr als die doppelte Energiemenge der anderen Monate gewonnen wurde.

Die Schwankungen im Wochen- und erst recht im Tagesprofil sind dennoch über das ganze Jahr extrem.

Auch wenn der Zusammenhang zwischen Jahreszeit und Windenergie 2011 kaum ersichtlich war, so kann dennoch ein Zusammenhang zur Tagesmitteltemperatur gesehen werden, wonach Windenergie hauptsächlich bei Tagesmitteltemperaturen über 0°C und unter 15°C gewonnen wird. Dies gilt für die gewonnene Peakleistung genauso wie für die Energiemenge pro Tag. Man kann sich fragen, ob dies zur persönlichen Erfahrung mit Wetter passt.

Im Gegensatz zu PV-Strom ist die Leistung die aus Windenergie gewonnen wird fast nie null, wenngleich sie aber oft sehr niedrig ist.

Es ist zu erkennen, dass ein überwiegender Teil der Windenergie in einem Leistungsbereich zwischen 10 und 40% gewonnen wird.

Auch wenn bei starkem Wind die Peakleistung der Windkraftanlagen erreicht werden kann, so wird dennoch nur wenig Energie mit mehr als 85% der Leistung gewonnen.

Biogasanlagen

Was in den folgenden Grafiken zu sehen ist, stellt die Stromproduktion aus dem Jahre 2011 von Biogasanlagen in Luxemburg mit einer installierten Peakleistung von 8,7 Megawatt dar.

Wie die grauen Kurven zeigen, liegt die Leistung stets in einem engen Band und zeigt nur wenige Ausreißer nach unten auf. Diese Konstanz der Stromproduktion wird gerne als die wichtigste Eigenschaft von Biogasanlagen für den Wandel hin zu einer Energieversorgung mit erneuerbaren Energien angesehen.

Ist die Konstanz der Energie aus Biogas tatsächlich so gut?

Der fatale Irrtum dabei ist, dass die Energienachfrage nicht konstant ist und die Versorgung mit anderen erneuerbaren Energien wie Wind- und Solarenergie es eben so wenig ist. Obwohl Biogas sich leicht speichern lässt, zumindest für ein Zeitintervall von 48 Stunden, wird dieses Potenzial nicht genutzt, um die Integration von erneuerbaren Energien zu erleichtern. Somit liegt in dem vermeidlichen Vorteil der konstanten Stromproduktion, die hier zu erkennen ist, die Ignoranz gegenüber den Bedürfnissen unseres Energiesystems und des anstehenden Wandels unserer Energieproduktion.

Mit einigem an Fantasie erkennt man, dass im Sommer etwas weniger Strom aus Biogas gewonnen wird als im Winter. Dies ist wohl auf Wartungsarbeiten an einzelnen Fermentern und Blockheizkraftwerken zurückzuführen, da viele Anlagen mit dem niedrigen Wärmebedarf im Sommer zu kämpfen haben, und bevorzugt zu dieser Zeit Wartungsarbeiten durchführen.

Die geringen Schwankungen im Wochen- und Tagesprofil spiegeln sich auch in der Abhängigkeit zur Tagesmitteltemperatur wieder. Die geringfügige Abnahme der Leistung und der täglichen Energiemenge lässt keine starken Abhängigkeiten zu, und begünstigt die Vermutung, dass stochastisch vermehrt Wartungsarbeiten durchgeführt werden, wenn der Wärmebedarf am geringsten ist.

Bemerkenswert ist, dass niemals die installierte Leistung vollständig abgerufen wird, was wohl darauf zurückzuführen ist, dass einzelne Biogasanlagen nicht so funktionieren, wie sie es sollten. So wurde 2011 hauptsächlich eine aufsummierte Leistung in Höhe von 60 bis 70% der angegebenen Peakleistung eingespeist. Dies führt zu einer, im Vergleich zu Photovoltaik und Windkraftanlagen, signifikant unterschiedlichen Energieeinspeisung in Funktion der relativen Leistung. So wird bis zu einer Leistung von 50% 0% der Energiemenge produziert und unterhalb von 80% der Leistung 100% der Energie gewonnen.

Analyse von Solarenergie

Visualisierung der Stromproduktion aus PV-Modulen

Was in den folgenden Grafiken im Video zu sehen ist, stellt die Stromproduktion aus dem Jahre 2011 der Photovoltaikanlagen in Luxemburg mit einer installierten Peakleistung von 22 Megawatt dar.

Wie durch die grauen Kurven zu erkennen ist, unterliegt die Stromproduktion sehr starken Schwankungen, wobei sich gleich drei Herausforderungen für die Nutzung von PV-Strom ergeben. Zum einen ist das die eingespeiste Peakleistung, die sich zu jeder Jahreszeit an einem sonnigen Tag in der Mittagszeit ergeben kann. Zum anderen sind es die beiden Extreme von einer längeren Periode mit jeweils sehr viel oder nur wenig Sonne, die die meisten Speichertechnologien an ihre Grenzen bringen. Oft wird beanstandet, dass PV-Strom zu unberechenbar ist, um in einem Energiesystem genutzt werden, weil es ohnehin nur 950 bis 1050 Volllaststunden aufweist. Allerdings sollte bedacht werden, dass sich diese Volllaststunden nur auf den grauen Bereich verteilen können.

Wie verhält sich der PV-Ertrag saisonal?

In den Sommermonaten ist, wie zu erwarten, die Energieproduktion mit moderaten Schwankungen am höchsten, doch bereits im Wochenprofil ist zu erkennen, dass es durchaus bedeutende Unterschiede von Woche zu Woche geben kann und erst recht, wenn die Tagesproduktion verglichen wird, wenn diese im Sommer selbst unter jene von einigen Tage im Winter fallen kann.

Zeigt man die Tagesproduktion in Funktion der Tagesmitteltemperatur auf, so ist zu erkennen, dass der Wirkungsgrad bei steigenden Temperaturen sinkt. Trotz viel Sonnenschein sinkt die Peakleistung bei Tagesmitteltemperaturen über 20°C. Gleichzeitig können aber auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt noch Peakleistungen anfallen. Auch deshalb gibt es im Winter Tage mit entsprechend hoher Tagesproduktion. Allerdings fällt auf, dass bei Temperaturen zwischen -5°C und 10°C die meisten Tage mit sehr wenig Energie liegen.

Mit welcher Leistung kann gerechnet werden?

Wegen der vielen Nachtstunden ist die Solarproduktion oft auf 0%. Gleichzeitig fällt auf, dass die Leistung sehr selten über 70% der installierten Leistung liegt. Das führt dazu, dass die meiste Energie im Bereich  von 20 bis 65% gewonnen wird. So wurde 2011 90 % der Energie mit weniger als 65% der Peakleistung produziert.