Mikronetze – ZEV, Zusammenschluss zum Eigenverbrauch, Ausfallsicherheit, Integration erneuerbarer Energien.

Mikronetze – in der Schweiz besser bekannt als ZEV, Zusammenschluss zum Eigenverbrauch, sind eine flexible Lösung für eine breite Palette von Interessengruppen. Die Vorteile von Mikronetzen reichen von der Ausfallsicherheit bis zur Integration erneuerbarer Energien. Mikronetze sind auf dem Weg vom Labor zum breiten Einsatz in den Gemeinden. Mikronetze stehen noch vor erheblichen rechtlichen und regulatorischen Unsicherheiten. Die Eigentums- und Geschäftsmodelle von Mikronetzen sind zum Teil noch in der Entwicklung begriffen.

Dank technologischer Verbesserungen, sinkender Kosten, einer bewährten Erfolgsbilanz und der zunehmenden Anerkennung ihrer Vorteile werden Mikronetze nun von den Labortischen und Pilotanlagen auf den kommerziellen Markt gebracht. Sie werden eingesetzt, um die Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit von Stromnetzen zu verbessern, die Einspeisung von dezentralen sauberen Energieressourcen wie Wind- und Solarenergie zu steuern, um den Ausstoß fossiler Brennstoffe zu reduzieren, und um Strom in Gebieten bereitzustellen, die nicht oder nicht vollständig von einer zentralen elektrischen Infrastruktur versorgt werden.

Kürzlich wurde festgestellt, dass die Elektrizitätssysteme der Welt beginnen, sich zu dezentralisieren, zu dekarbonisieren und zu demokratisieren, in vielen Fällen von unten nach oben. Diese Trends werden durch die Notwendigkeit angetrieben, die Stromkosten einzudämmen, die veraltete Infrastruktur zu ersetzen, die Widerstandsfähigkeit und Zuverlässigkeit zu verbessern, die CO2-Emissionen zu reduzieren, um den Klimawandel abzuschwächen, und Gebiete ohne elektrische Infrastruktur (weltweit betrachtet) mit zuverlässiger Elektrizität zu versorgen. Auch wenn die Ausgewogenheit der treibenden Faktoren und die Details der jeweiligen Lösung von Ort zu Ort unterschiedlich sein können, haben sich Mikronetze als flexible Architektur für den Einsatz dezentraler Energieressourcen herauskristallisiert, die die unterschiedlichsten Bedürfnisse der verschiedenen Gemeinden von der Metropole New York bis zu ländlichen Gebieten irgendwo auf der Welt erfüllen können.

In den Industrieländern müssen Mikronetze im Kontext eines ausgereiften "Makronetzes" diskutiert werden, das über Stromerzeugungseinheiten im Gigawattbereich, Tausende oder sogar Hunderttausende von Kilometern an Hochspannungsleitungen, minimale Energiespeicher und kohlenstoffbasierte fossile Brennstoffe als primäre Energiequelle verfügt. Das heutige Netz ist jedoch kein statisches Gebilde; wir bewegen uns auf einem historischen Pfad, der mit der dezentralen Stromerzeugung in kleinem Maßstab (bekannt als die ursprünglichen Gleichstrom-Mikronetze) begann, die von Thomas Edison im späten 19. Jahrhundert eingeführt wurde, dann eine Konsolidierung und Zentralisierung erfuhr, die durch die wachsende Nachfrage angetrieben wurde, und nun die Anfänge einer Rückkehr zur Dezentralisierung erlebt. Von den 1920er bis zu den 1970er Jahren wurde die Entwicklung des heutigen Netzes durch die erhöhte Zuverlässigkeit, die durch den Anschluss mehrerer Stromerzeugungseinheiten an verschiedene Lasten erreicht wurde, die niedrigeren Baukosten pro Kilowatt (kW) und die Möglichkeit, Strom aus weit entfernten großen Stromerzeugungsquellen wie Wasserkraft zu beziehen, vorangetrieben. Diese Vorteile scheinen jedoch ihre Grenzen erreicht zu haben und werden zunehmend durch ökologische und wirtschaftliche Bedenken untergraben. Angetrieben von der Umstrukturierung der Versorgungsunternehmen, verbesserten Technologien und den wirtschaftlichen Risiken, die mit dem Bau massiver Erzeugungsanlagen und Übertragungsinfrastrukturen einhergehen, haben Unternehmen, die Strom erzeugen, im Laufe der Zeit schrittweise auf kleinere, dezentrale Einheiten umgestellt.

Diese Umstellung wird durch eine Reihe von Vorteilen der Dezentralisierung vorangetrieben, wie z. B. die Verschiebung von Investitionen in Erzeugungs-, Übertragungs- und Verteilungskapazitäten, die Spannungsregelung oder die Bereitstellung von Blindleistung, Hilfsdienste, Vorteile bei den Umweltemissionen, die Verringerung von Systemverlusten, Einsparungen bei der Energieerzeugung, erhöhte Zuverlässigkeit, Verbesserung der Stromqualität, Kraft-Wärme-Kopplung, Nachfragereduzierung und Standby-Erzeugung.

Diese Vorteile ergeben sich nicht nur für kleine, abschaltbare, mit fossilen Brennstoffen betriebene Anlagen - viele gehen auch mit dem Einsatz intermittierender erneuerbarer Energiequellen einher, wie eine grundlegende Studie über eine 500-kW-PV-Anlage in Kalifornien zeigt. Die Herausforderung, die Treibhausgasemissionen radikal zu senken, um eine Klimakatastrophe zu vermeiden, hat auch zu einer Regierungspolitik geführt, die Anreize für den Einsatz von kohlenstofffreien Stromerzeugungsquellen schafft, von denen sich viele für dezentrale Anwendungen eignen. Auch wenn sich dieser Beitrag auf Mikronetze in Gebieten mit bestehenden zentralen Stromnetzen konzentriert, darf nicht vergessen werden, dass sie auch für ländliche und abgelegene Gemeinden in Entwicklungsländern viele Vorteile bieten.

Wissenschaftler und Ingenieure in den begannen späten 1990er Jahren in den USA und Europa mit der Erforschung dezentraler Lösungen, die die Integration Tausender oder Zehntausender dezentraler Energieressourcen in einer Weise steuern können, die auch bei Naturkatastrophen, physischen und Cyberangriffen und kaskadenartigen Stromausfällen ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit bietet.

Die Lösung, auf die sie sich geeinigt haben, ist eine Netzarchitektur, mit der die Stromerzeugung und -nachfrage lokal in Teilbereichen des Netzes gesteuert werden kann, die automatisch vom größeren Netz isoliert werden können, um kritische Dienste auch dann bereitzustellen, wenn das Netz insgesamt ausfällt. Dieser Ansatz erhielt den Namen " Mikronetz".

Mikronetz-Definition.

Ein Mikronetz ist eine Gruppe miteinander verbundener Lasten und verteilter Energieressourcen innerhalb klar definierter elektrischer Grenzen, die in Bezug auf das Netz als eine einzige steuerbare Einheit agiert. Ein Mikronetz kann sich mit dem Netz verbinden und von ihm trennen, so dass es sowohl im Netzverbund als auch im Inselbetrieb betrieben werden kann.

Diese Beschreibung enthält drei Anforderungen:
1) Es muss möglich sein, den Teil des Verteilernetzes, der ein Mikronetz umfasst, vom Rest des Netzes zu unterscheiden.
2) Die an ein Mikronetz angeschlossenen Ressourcen müssen in Abstimmung miteinander und nicht mit weit entfernten Ressourcen gesteuert werden.
3) Das Mikronetz muss unabhängig davon funktionieren, ob es an das größere Netz angeschlossen ist oder nicht. Die Definition sagt nichts über die Größe der verteilten Energieressourcen oder die Arten von Technologien aus, die verwendet werden können oder sollten.

Erzeugungs- und Speicheroptionen.

Mehrere multidisziplinäre Studien befassen sich mit der großen Vielfalt an verteilten Energieressourcen, die in Mikronetzen eingesetzt werden können. Die heute verfügbaren Erzeugungs- und Speicheroptionen haben jede für sich ihre Vor- und Nachteile.

Im Allgemeinen sind Mikronetze in gewisser Weise "technologieunabhängig", und die Wahl des Designs hängt von den projektspezifischen Anforderungen und wirtschaftlichen Überlegungen ab. Auch wenn dies nicht unbedingt erforderlich ist, trägt die Integration eines gewissen Maßes an Energiespeicherung dazu bei, Störungen im Mikronetz zu verhindern. Da den meisten Stromerzeugungsquellen in Mikronetzen die Trägheit großer Synchrongeneratoren fehlt, ist ein Puffer erforderlich, um die Auswirkungen von Ungleichgewichten zwischen Stromerzeugung und -nachfrage abzumildern.

Mikronetze verfügen auch nicht über die Lastvielfalt größerer geografischer Regionen, so dass sie mit einer viel größeren relativen Variabilität umgehen müssen. Die Palette der derzeit in der Entwicklung befindlichen Technologien zur Energiespeicherung, die in Mikronetzen eine Rolle spielen könnten, ist umfangreich. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Speicherung von Elektrizität, aber auch die Speicherung von thermischer und mechanischer Energie sollte gegebenenfalls in Betracht gezogen werden. Die Fähigkeit von Speichertechnologien zur Bereitstellung von Hilfsdiensten, wie z. B. Unterstützung der Spannungsregelung, Spinning-Reserven, Lastverfolgung und Peak-Shaving, sind ebenfalls wichtige Faktoren.

Marktstruktur und Grad der Dezentralisierung des Marktes.

Im Rahmen des EU-Projekts "More Microgrids" wurden vier verschiedene Szenarien für den Besitz von Mikronetz-Ressourcen vorgestellt:
- Eigentum des Verteilernetzbetreibers, der das Verteilernetz besitzt und für den Einzelhandelsverkauf von Strom an den Endkunden verantwortlich ist.
- Eigentum des Endverbrauchers oder sogar eines Konsortiums von Prosumern (Unternehmen, die Strom sowohl importieren als auch exportieren).
- Eigentum eines unabhängigen Stromerzeugers. 
- Eigentum eines Energieversorgers in einer freien Marktordnung.

Die meisten netzgekoppelten Mikronetze sind heute im Besitz von Gebäudeeigentümern und werden von diesen finanziert. Es ist wichtig zu erkennen, dass Mikronetze, insbesondere kommunale Mikronetze, die bestehende Infrastruktur des Verteilernetzes nutzen können, wodurch ihre Kosten radikal gesenkt werden.

Es wurden drei Modelle für die Integration von Prosumern in das Stromnetz vorgeschlagen:
- Peer-to-Peer
- Prosumer-to-Grid
- Prosumer-Community-Gruppen

Beim Peer-to-Peer-Modell, das vielleicht am weitesten vom heutigen zentralisierten Netzmodell entfernt ist, würde die zugrundeliegende Plattform die Fähigkeit von Stromerzeugern und -verbrauchern unterstützen, Strom und andere Dienstleistungen direkt voneinander zu kaufen und zu verkaufen, wobei eine Gebühr an den Betreiber des Verteilernetzes für die Bereitstellung von Verteilungsdiensten fließt. Pilotprojekte dieser Art gibt es bereits an Orten wie Brooklyn, New York, den Niederlanden und dem Vereinigten Königreich. Forscher, Praktiker und sogar große europäische Energieunternehmen beginnen, für Anwendungen wie das Laden von Elektrofahrzeugen sichere Peer-to-Peer-Plattformen wie Blockchain-basierte verteilte Ledger auf Peer-to-Peer-Energiemärkte anzuwenden.

Pilotprojekt Brooklyn Microgrid und Siemens

Solarstrom dank Blockchain

Ein Schwerpunktbereich ist der Markt für die Spannungsregelung in Verteilungsnetzen mit Mikronetzen. Einige Forscher schlagen vor, dass jedes Mikronetz in einem zukünftigen Multi-Microgrid-Netz als virtuelles Kraftwerk fungieren soll.

Die zentrale Steuerung jedes Microgrids unter der Annahme einer zentralisierten Steuerungsarchitektur und auf der Grundlage der aggregierten Gebote der verteilten Energieressourcen im Mikronetz (reaktionsfähige Lasten, Mikrogeneratoren und Speichergeräte) bietet als aggregierte verteilte Energieressource Energie und Hilfsdienste an das externe Stromnetz an.

Ein Verteilernetzbetreiber betreibt die für den Stromfluss von großen Erzeugern zu den Kunden über ein Übertragungs- und Verteilungsnetz nötige Infrastruktur. Als erster schlägt der New Yorker Fahrplan für dezentrale Energieressourcen vor, den Stromgroßhandelsmarkt des Staates für dezentrale Mikronetze (Aggregatoren) zu öffnen, was eine Integration in die öffentlichen Netzte zur Folge hat.

Innovative Geschäftsmodelle wie Stromabnahme- oder Energiedienstleistungsverträge und Design-Build-Own-Operate-Maintain werden wahrscheinlich eine große Rolle für die Skalierbarkeit von Mikronetzen spielen. Sobald das Design und die Beschaffung von Mikronetzen rationalisiert sind, werden Stromabnahmeverträge eine größere Rolle auf dem Mikronetz-Markt spielen. Es gibt derzeit ein sehr erfolgreiches Geschäftsmodell auf dem US-amerikanischen Markt für Solaranlagen für Privathaushalte und Gewerbebetriebe, da es dazu genutzt werden kann, steuerliche und andere damit verbundene Anreize zu nutzen und gleichzeitig hohe Anfangsinvestitionen für die Einrichtung, in der das System betrieben wird, zu vermeiden.

Die Infrastruktur in einer Mikronetz-Infrastruktur ist dabei Eigentum eines Dritten und wird an Kunden vermietet, um Strom und damit verbundene Dienstleistungen an Endkunden zu liefern. Im Falle von Mikronetzen können verbesserte Sicherheit, Zuverlässigkeit und Nachhaltigkeit zusammen mit wirtschaftlichen Vorteilen wie Energiekosteneinsparungen vermarktet werden. Bei Projekten zur Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung kann die Wärmeenergie zusammen mit der Elektrizität in den Verträgen gebündelt werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass Betrieb und Wartung in den Verträgen enthalten sind, da die Einnahmen aus den Verträgen davon abhängen, dass die Systeme ihr Potenzial voll ausschöpfen.

Die Kosten für die photovoltaische Solarstromerzeugung und die Batteriespeicherung sinken rapide und nähern sich der Kostenparität mit den traditionellen Stromquellen. Infolgedessen könnte sich die breite Einführung dieser Technologien bald so weit beschleunigen, dass der Energieverbrauch, bei dem die Endverbraucher Strom importieren und exportieren, eher die Norm als die Ausnahme ist. Bevor Millionen von dezentralen Energieressourcen an das Stromnetz angeschlossen werden, sollte die Gesellschaft vorausplanen und verstehen, welche Architektur diese und andere dezentrale Energietechnologien am besten integriert. Mikronetze sind in der Lage, diesen Übergang zu bewältigen, indem sie Angebot und Nachfrage auf lokaler Ebene ausbalancieren und gleichzeitig Zuverlässigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber den offenbar zunehmenden natürlichen und vom Menschen verursachten Störungen gewährleisten.

Ob Mikronetze eine Nischenanwendung bleiben oder allgegenwärtig werden, hängt von zwei Hauptfaktoren ab:
- inwieweit regulatorische und rechtliche Herausforderungen erfolgreich gemeistert werden können
- ob der Wert, den sie für Immobilieneigentümer und Gemeinden in Bezug auf Stromqualität und -zuverlässigkeit und andere wirtschaftliche Vorteile bieten, die Kostenaufschläge, die zur Erzielung dieser Vorteile anfallen, überwiegt.

Diese Fragen werden nun in Gerichtssälen und auf kommerziellen Märkten auf der ganzen Welt beantwortet, da sich die Stromnetze weiterentwickeln, um sozialen und wirtschaftlichen Belangen Rechnung zu tragen und die Technologie des 21. Jahrhunderts zu integrieren, um Thomas Edisons ursprüngliche Vision des Netzes zu aktualisieren.