Forschung

Unregelmässig produzierende, erneuerbare Energien werden eine zentrale Rolle in der zukünftigen Energieversorgung spielen. Dies bedingt eine Änderungen des Kraftwerkparks, intelligente Netze und leistungsfähige, wirtschaftliche Energiespeicher.

Die vom Bundesrat beschlossene Energiestrategie 2050 setzt insbesondere zwei Schwerpunkte: einen effizienteren Umgang mit Energie und einen höheren Anteil an erneuerbaren Energien aus Wasser-, Fotovoltaik- und Windanlagen. Insbesondere die dezentrale Energieproduktion stellt die Verteilnetze vor grosse Herausforderungen. Die Einspeisung von Wind- und Solarenergie ist durch starke Fluktuation gekennzeichnet. Situationen mit sehr starker Stromerzeugung wechseln sich mit Zeiten schwacher Erzeugung ab. Daher ist der Umbau der Verteilnetze hin zu intelligenten Netzen, den so genannten Smart Grids, unumgänglich.

Im Video (rechts) zeigen wir Ihnen, warum das Stromnetz in Zukunft intelligent wird und wie ein Smart Grid funktioniert. Zudem gilt es, neue Speichertechniken zu entwickeln, die Wind- und Fotovoltaikanlagen in die bestehende Infrastruktur integrieren.

Das Technology Center der BKW sucht die Zusammenarbeit mit führenden Schweizer Forschungsinstitutionen und engagiert sich gemeinsam mit ihnen für eine sichere Energieversorgung. Aktuelle Forschungsschwerpunkte sind Produktion, Energiespeicher, Energiefluss Stromnetz sowie Verbrauch.
Das BKW Technology Center wurde geschaffen, um erfolgreiche Lösungen für die Energiezukunft zu finden. Ziel ist es, Energiesysteme als Ganzes zu verstehen.

Smart Grid

Leicht erklärt

Produktion

Heute wird elektrische Energie hauptsächlich zentral in grossen Kraftwerken produziert und über das Stromnetz an die Kunden geliefert.
In Zukunft wird der Anteil der unregelmässigen, dezentralen Stromerzeugung aus Wind- und Fotovoltaikanlagen stetig ansteigen. Dies erfordert einen Umbau des Kraftwerkparks mit entsprechenden Speicher- und Reservekapazitäten. Das Energiesystem von morgen ist durch hohe Anteile erneuerbarer Energien und eine dezentrale Stromproduktion gekennzeichnet. Dabei sind Versorgungssicherheit, Klimaschutz, Ressourcenschonung und Ressourceneffizienz die qualitativen Ziele des neuen Energiesystems.
Die Forschung arbeitet im Bereich Produktion insbesondere an der Frequenz- und Spannungsstabilisierung bei hoher fluktuierender, dezentraler Einspeisung.

Energiespeicher

In einem Energiesystem müssen Nachfrage und Angebot jederzeit ausgeglichen sein. In einem zentralen Versorgungssystem sind dafür wirksame Mechanismen implementiert. Fällt beispielsweise ein Kraftwerk aus, steht europaweit genügend Reserveleistung zur Verfügung, um binnen 30 Sekunden den Ausfall auszugleichen (Primärregelung). Fast zeitgleich startet die Sekundärregelung, üblicherweise von Kraftwerken aus dem Bereich, in dem der Ausfall eingetreten ist. Sie erbringt nach spätestens 15 Minuten die zusätzlich angeforderte Leistung. Dauert die Ursache für den Ausfall länger, wird die Tertiärregelung wirksam. Sie gleicht die Produktionslücke längerfristig aus.
Mit der fluktuierenden, dezentralen Einspeisung stellen sich unter Regelungsaspekten jedoch ganz neue Fragen. So kann es an wind- und sonnenreichen Tagen in den entsprechenden Netzabschnitten zu Spannungs- und Frequenzänderungen kommen, die schnell kompensiert werden müssen. Es liegt nahe, hier Möglichkeiten zur Regelung zu finden, die so dezentral wie die Erzeugung sind.

Chemische Speicher (Batterien, Power-to-Gas)

Im Niederspannungsnetz sind Lithium-Batterien, die am Ort der Erzeugung verbaut werden, eine mögliche Lösung. Für ganze Netzabschnitte verspricht eine Flüssigbatterie, kombiniert mit einer schnellen Lithiumbatterie, einen wirksamen Effekt. Das Technology Center der BKW beabsichtigt, im Rahmen eines vierjährigen EU-Forschungsprojektes zusammen mit Partnern die Anwendungsmöglichkeiten und Wirtschaftlichkeit eines solchen Batteriesystems zu untersuchen.
In die Gruppe der chemischen Speicher gehört auch «Power-to-Gas»: Mittels Elektrolyse lässt sich relativ einfach Wasserstoff erzeugen (in einem weiteren Schritt auch Methan) und im Gasnetz speichern. Es kann dann entweder zur Wärmeerzeugung genutzt oder auch verstromt werden. Methan lässt sich aber auch direkt in gasbetriebenen Fahrzeugen nutzen oder mittels Wärme-Kraft-Koppelung mit hohem Wirkungsgrad wieder zu Nutzenergie umwandeln.
Eine kürzere Prozesskette und ein günstigeres Verhältnis zwischen Strom und Wärme (mehr Strom, weniger Wärme) werden in Brennstoffzellen erreicht, die den Wasserstoff aus der Elektrolyse direkt wieder in Elektrizität wandeln.

Mechanische Speicher (Druckluftspeicher, Speicherseen)

Wohlbekannt und am längsten im Einsatz sind mechanische Speicher. Speicherseen werden gefüllt, wenn elektrische Energie im Überfluss vorhanden ist. Die gespeicherte potentielle Energie des Wassers lässt sich zu jedem Zeitpunkt sehr schnell wieder als elektrische Energie abrufen. Nach einem ähnlichen Prinzip funktionieren Druckluftspeicher: Mit Überschussenergie betriebene Kompressoren pumpen Luft unter Druck in zumeist unterirdische Speicher (beispielsweise Salzkavernen). Die in der Druckluft gespeicherte Energie lässt sich schnell und einfach wieder verstromen.

Graphene

Besonders spannend ist die Forschung auf dem Gebiet der Graphene. Diese sehr dünne Kohlenstoffschicht soll künftig zu so genannten Superkondensatoren verarbeitet werden. Das Ergebnis könnten Speicher sein, die sehr schnell sehr hohe Leistungen abgeben können. Noch befinden sie sich aber im Versuchsstadium

Energiefluss / Stromnetz

Aufgabe der Stromnetze ist die sichere Versorgung der Kunden mit elektrischer Energie in der gewünschten Qualität. Darunter verstehen die Netzbetreiber vor allem Spannungsqualität, die sich hauptsächlich in stabiler Spannung und stabiler Frequenz ausdrückt.
Durch die fluktuierende, dezentrale Einspeisung von Energie aus Wind- und Fotovoltaikanlagen stellen sich diverse regelungstechnische Herausforderungen auf den verschiedenen Netzebenen, insbesondere aber auf der Niederspannungsebene. Statt Teilnetze auf die mögliche Maximalbelastung auszulegen, bietet es sich an, Intelligenz in die Netze zu bringen.
Das BKW Technology Center forscht hier zusammen mit Partnern an der Anwendbarkeit innovativer Komponenten, aber auch an Effekten, die auf den Netzen beobachtet werden können. Dieses Forschungsprojekt mit dem Titel «Swinging Grids» hat zum Ziel, unerwünschte Schwingungen auf den Übertragungsnetzen zu entdecken, ihre Ursachen zu erkennen und sie so künftig zu vermeiden.
Darüber hinaus sind Netzstabilität, Energieeffizienz und Sicherheit weitere Forschungsthemen.

Verbrauch

Die Nutzung elektrischer Energie unterliegt ähnlichen Schwankungen wie die Produktion. Viele Nachfrageänderungen lassen sich gut prognostizieren und die zentralen Erzeuger können sich darauf vorbereiten. Manche Änderungen in der Nachfrage sind jedoch nicht oder nur schwer vorherzusehen.
Um die Versorgungssicherheit in der gebotenen Qualität zu gewährleisten, sind Lastmanagement und Eigenverbrauchsregelung interessante Ansätze.

Lastmanagement

Kunden mit grossen steuerbaren Lasten (beispielsweise Tiefkühlhäuser) können helfen, Schwankungen bei der Produktion von Wind- und Sonnenenergie auszugleichen. Bei einem Überschuss an erneuerbaren Energien werden die Lasten automatisch ein-, bei einem Nachfragehoch hingegen nach klaren Kriterien abgeschaltet. Diese Kunden erhalten eine Entschädigung dafür, dass sie die Lasten für eine zentrale Regelung bereitstellen.

Eigenverbrauch

Kunden, die selbst elektrische Energie bereitstellen, beispielsweise durch Fotovoltaikanlagen, sollen ihren eigenen Strom künftig selbst nutzen, statt ihn ins Netz einzuspeisen. Als Puffer zwischen Eigenbedarf und Nutzung können Batterien dienen. Die einschlägige Industrie bietet hier bereits Lösungen an, deren Wirtschaftlichkeit sich mit steigender Produktion noch deutlich verbessern wird.