Was passiert mit überschüssiger Energie, die in das Stromnetz eingespeist wird?

Die nächstliegende Frage ist die lineare Nutzung der überschüssigen Energieerzeugung .

Ich bin kein Ingenieur, daher kann ich dies möglicherweise nicht richtig formulieren und würde eine Antwort begrüßen, die nur minimale Hintergrundkenntnisse voraussetzt (ich verstehe nur die Grundlagen von Spannung, Transformatoren usw.). Die Frage ergibt sich aus all dem Gerede, dass der variable Wind und die variable Leistung das Stromnetz unterbrechen könnten.

Siehe zum Beispiel den Artikel 2012 Electrical Connection (Elektrischer Anschluss) über den raschen Anstieg von Solaranlagen, die möglicherweise das Netz überlasten. Dort wird die Möglichkeit eines "Rückstroms" erörtert und es wird auch über eine Art "Netzwerkschutzgerät" gesprochen. Es gibt auch einen oder einen ähnlichen Artikel über Hawaii, den Verbindungs-Albtraum in Hawaii und warum er für die US-amerikanische Photovoltaikindustrie von Bedeutung ist. Die einzige "konkrete Sorge, die sich aus den Erfahrungen auf Hawaii ergibt, ist die Möglichkeit vorübergehender Überspannungen an der Einspeisung - im Wesentlichen eine kurze Dauer Spannungsspitze ".

Ich bin gespannt, was hier sowohl in Bezug auf ein großes Raster als auch in einer Mikroumgebung passiert. Nehmen wir zum Beispiel an, ich habe einen voll aufgeladenen Akku und fließe weiterhin Strom hinein. Was geschieht? Gibt es Geräte, die den Strom als Wärme umleiten oder abführen, ohne etwas zu beschädigen? Ich habe ein paar ähnliche Fragen online gefunden, aber die Antworten waren nicht eindeutig.

Die einfachsten und direktesten Antworten auf die Hauptfrage hängen davon ab, wie "übertrieben" sie sind. Da die meisten Geräte so ausgelegt sind, dass sie innerhalb von +/- 5% der Nennleistung arbeiten, wird die "zusätzliche Energie" normalerweise im Gerät selbst als Wärme abgeführt . Bei einer Glühbirne (zum Beispiel) wird mehr Licht und Wärme erzeugt. Wenn die überschüssige Energie die Toleranz der Geräte überschreitet, werden sie überhitzt und / oder verbrennen ( verursachen Schäden ). Diese Ergebnisse werden unabhängig davon erzielt, was die "überschüssige Energie" im Netz verursacht (Blitz, Solaranlagen, Windkraft usw.).

Bei den letzten beiden Fragen, wenn Sie eine 12-V-Batterie mit einer 13-V-Quelle laden, hält die zusätzliche 1-V-Batterie die Batterie "warm", nachdem sie auf 12 V aufgeladen wurde. Wenn Sie das Gerät mit einer ungeregelten 24-V-Stromversorgung aufladen, wird der Akku überhitzt, verbrennt und explodiert möglicherweise. Wenn Sie es mit einer überspannungs- und strombegrenzten Stromversorgung aufladen, wird der Akku auf 12 V aufgeladen und die zusätzliche Energie wird als Wärme in den Versorgungsreglern abgeführt. Ein Weg, wie Sie "zusätzliche Energie" "effizient" nutzen können, besteht darin, eine Reihe von Batterien und ein "intelligentes" Ladegerät zu verwenden, das das Laden auf eine andere Batterie umschaltet, wenn eine aufgeladen wird, und sie abschaltet (Verbindung trennen). wenn alle Batterien in der Bank aufgeladen sind. Wenn kein Interesse besteht, die zusätzliche Energie zu sparen, kann sie "abgeladen" werden.

Dies ist, wie Sie sich vorstellen können, nicht etwas, das nur eine Lösung hat, und das Problem an sich ist auch ziemlich komplex. Lassen Sie es uns aufschlüsseln.

Das Stromnetz, wie es heute in den meisten zivilisierten Ländern existiert, hat eine hierarchische Struktur: Oben befinden sich die großen zentralen Kraftwerke, darunter die großen MV-Verteilungsnetze oder Verteilungsringe, dann kommen die Stadtnetze (normalerweise ca. 400 kV). In der Regel handelt es sich dabei um unterirdische Hochspannungs-, Nachbarschaftsnetze (20 kV oder mehrphasige Netzspannung) und dann um die Niederspannungs-Postleitzahlnetze, die 115/230 V verteilen. Natürlich setzt diese Hierarchie, wie Ihre Frage bereits impliziert, einen Netto-Energiefluss vom Kraftwerk zum Haus voraus und nicht umgekehrt.

Die meiste dezentrale Energieerzeugung - nichtkommerzielle Solarmodule, Windkraftanlagen und dergleichen - erfolgt auf Hausebene, dh es werden 115/230 V Wechselstrom erzeugt und in das Stromnetz eingespeist. Meistens ist dies in Ordnung, da viel weniger Strom erzeugt wird als verbraucht wird und der Nettoenergiefluss immer noch in die richtige Richtung zeigt. In den seltensten Fällen, aber heutzutage aufgrund des niedrigen Solarpreises häufiger, wird mehr Strom erzeugt als auf Postleitzahlebene verbraucht wird. Für im Grunde alle Stromnetze ist dies eigentlich kein so großes Problem. Die Transformatoren, mit denen MV in 115/230 V umgewandelt werden, sind nur lineare Transformatoren und funktionieren in der einen Richtung genauso gut wie in der anderen. Sie haben fast nie PFC oder andere von der Durchflussrichtung abhängige Parameter, daher ist dies in Ordnung.

Das Problem, mit dem die meisten Stromnetze schlecht umgehen, ist das, was in einem Schritt darüber passiert. Hier kommen wir zur Umstellung vom unterirdischen Stadtnetz auf kleinere Blöcke, und diese Umspannwerke verfügen heutzutage häufig über PFC oder zumindest einen Entkopplungsmechanismus, um sicherzustellen, dass Störungen aus dem Stadtnetz nicht wieder in die Hochspannung zurückfließen Linien wie durch einen linearen Transformator. Wenn dieses Gerät mehr Strom erzeugt, als es verbraucht, kann diese Energie (im Allgemeinen) nirgendwo hingehen, oder zumindest wird dies durch sehr teure, nicht so einfach zu ersetzende Elektronik verhindert. Die Reflexantwort des Systems besteht darin, einen Schalter zu betätigen und dieses Gerät vom Rest des Netzes zu trennen. Natürlich wird dies diese Einheit nicht "töten"; Der erzeugte Strom pumpt einfach die Spannung in diesem Netz bis zur Sicherheitsgrenze von Wechselrichtern (normalerweise Nennspannung + 5-7%) und destabilisiert sehr oft die Wechselstromfrequenz. Der Strom bleibt aber so lange erhalten, bis eine Wolke vorbeizieht, das Netz unter die Spannungsspitze fällt und die Solarwechselrichter sich selbst ausschalten. Dieses Problem wird als Inselerzeugungsproblem bezeichnet und ist ohne zusätzliche Informationen im Stromnetz und den Wechselrichtern (dh Smart Grids) nur sehr schwer zu lösen.

Wie Sie jedoch in diesem vorherigen Absatz sehen können, geht die zusätzliche Energie nicht notwendigerweise irgendwohin. In einer Inselsituation müssen Wechselrichter nicht nur ihre gesamte verfügbare Energie in das Netz einspeisen, sondern sich selbst modulieren, wenn das Netz eine bestimmte Spannung erreicht. Wenn diese Wolke irgendwann überschreitet, werden sie sich selbst ausschalten und die Situation ist gelöst.

Es gibt alternative Schutzmechanismen. Einige Länder haben Kurzschlussschalter, die mit speziellen (DTMF) Signalen über die Stromleitung verbunden werden können. Wenn eine Insel erstellt wird, können sie das Stromnetz kurzschließen, um einen Teil des Stromnetzes zu erden und sofort zu verdunkeln. Dies ist jedoch keine sehr sichere Vorgehensweise, da dies häufig zu Induktionsspitzen im Stromnetz führt, die sowohl das Stromnetz als auch die Haushaltselektronik beschädigen können. Heutzutage wird dies selten verwendet. Dies ist jedoch ein wichtiger Schutzmechanismus für Stromerzeuger, die ihre Leistung nicht gut regulieren und eine Überspannungssituation verursachen können.

In Deutschland schwankte der im Mai bezahlte Preis für erneuerbare Energien tatsächlich negativ , da sie zu viel davon hatten. Mit anderen Worten, sie forderten die Produzenten auf, die überschüssige Energie aufzunehmen. Sie haben also mit dem Energieüberschuss umgegangen, indem sie die Erzeuger dazu veranlasst haben, ihn nicht ins Netz zu bringen - was mit Sonnenenergie und mit Windenergie problemlos möglich ist.

Unterschiedliche Erzeugungsmethoden haben unterschiedliche Zeitkonstanten - Kernkraftwerke laufen sehr schnell und das Starten und Herunterfahren nimmt viel Zeit in Anspruch. Wasserkraftwerke können ihre Leistung schnell ändern, indem sie den Wasserfluss umleiten oder drosseln. Thermische Anlagen (ich hatte früher eine in der Nähe) haben eine längere Zeitkonstante. Wenn Sie also plötzlich die Last verlieren (was die Turbinen verlangsamt), muss die im Dampf gespeicherte Energie entlüftet werden (laut!), Um die Generatoren davon abzuhalten außer Kontrolle geraten. Sie versuchen meines Wissens nicht, die elektrische Energie zu absorbieren, obwohl ich eine Machbarkeitsstudie über die Instrumentierung einer massiven Energiesenke durchgeführt habe, die große Mengen an Energie absorbieren würde (es macht Spaß, Instrumente herzustellen, die mit Gleichtaktspannungen von ... arbeiten) 100 kV).

Einigermaßen effizientes Speichern von Energie in großen Mengen ist ein sehr schwieriges Problem, für das es keine offensichtliche Lösung gibt. Verteilte Batterien / Wechselrichter und die althergebrachte Methode, Wasser bergauf in einen Damm zu pumpen, um es zu speichern, und es durch Turbinen und Generatoren rauschen zu lassen, um es (teilweise) wiederzugewinnen, sind einige Methoden.

Lassen Sie mich diese Artikel in Begriffen umformulieren, die es einfacher machen, sie zu verstehen und in einen Kontext zu setzen. Ich sehe diese Artikel als das Äquivalent von "Ich habe gerade einen neuen Ferrari gekauft. Es besteht ein ernstes Problem darin, dass ich die Bremsbeläge immer wieder austauschen muss, da die Leistung meines Motors zu hoch ist, wenn ich mich einem Bremslicht nähere."

Die einfache Antwort lautet: "Nehmen Sie den Fuß vom Gas". Das heißt, hören Sie auf, Strom zu produzieren, wenn Sie ihn nicht nutzen können.

Es gibt wirklich kein Problem mit der Überproduktion, es gibt ein Problem mit der Überlieferung, die sie nur an die Produzenten zurücksenden müssen, "hör auf, Strom ins Netz zu bringen". Tatsächlich verwenden einige Solarpanel-Controller die Wolkenbeschattung, um vorherzusagen, wie viel Strom in den nächsten 10 oder 15 Minuten erzeugt werden soll, und um dies der Netzbehörde zu signalisieren .

Diese Art von Artikeln sind nicht hilfreich. Es gibt ernsthafte Probleme mit dem Hauptnetz und den Verbindungsleitungen, die einfach durch Verabschiedung von Gesetzen und Geldausgaben gelöst werden können. Wenn Windenergieerzeuger die Kontrolle über Ihr Steuerungssystem übernehmen, sind die Lösungen weitaus einfacher.

Es ist ein kompliziertes Problem mit einer Vielzahl von Antworten.

Auch wenn keine Lösungen vorhanden sind, besteht eine gewisse Toleranz für ein Missverhältnis zwischen Angebot und Nachfrage. Zu viel Nachfrage / zu wenig Angebot) senkt die Spannung und Frequenz des Stromnetzes von ihrem üblichen Wert von 50 Hz / 60 Hz / unabhängig vom Stromnetz Ihres Landes. Umgekehrt erhöht zu viel Angebot / zu wenig Nachfrage die Frequenz. Eine geringe Frequenzabweichung ist kein signifikantes Problem. In Neuseeland beträgt die Netzfrequenz 50 Hz, das Stromnetz reicht jedoch für Frequenzen zwischen 49 und 52 Hz. Abgesehen davon können ernsthafte Probleme auftreten. Insbesondere unter 49 Hz können Generatoren beschädigt werden, die sich automatisch abschalten oder isolieren. Dies bedeutet, dass die Netzfrequenz noch mehr abnimmt, da weniger Strom zur Verfügung steht, was zu einer Kettenreaktion und schließlich zu einem völligen Zusammenbruch des Netzes führt.

Um dies zu verhindern, bezahlen die Marktteilnehmer die Menschen für die Erbringung einer Vielzahl von Dienstleistungen. Diese unterscheiden sich von Land zu Land, aber ich werde wieder Neuseeland als Beispiel verwenden.

Frequency Keeping - Hiermit können Sie die Netzfrequenz je nach Bedarf erhöhen oder verringern. Um eine analoge Fahrweise zu verwenden, beobachten Sie jemanden beim Lenken. Sie machen ständig winzige Bewegungen mit dem Rad, sie sind sich dessen wahrscheinlich nicht bewusst, sie reagieren auf die Position des Rades, um das Auto gerade zu halten, wenn es über kleine Unebenheiten auf der Straße fährt. Dies wurde traditionell von Generatoren durchgeführt, die mit einer Kapazität von weniger als 100% arbeiten und in der Lage sind, ihre Leistung mit einer Reaktionszeit von weniger als einer Sekunde zu variieren.

Reserven - In Neuseeland müssen jederzeit Reserven beschafft werden, um das Stromnetz im Falle einer N-1-Situation aufrechtzuerhalten - entweder der Ausfall des größten Generators oder der Ausfall der Übertragungsleitungen zwischen dem Norden und Südinseln. In Europa befindet sich der gesamte Kontinent in einer N-2-Situation, die den Verlust von zwei großen Kernkraftwerken darstellt. Diese Reserven können entweder die Form von Generatoren annehmen, die unter der Kapazität laufen und schnell hochfahren können, oder (billiger und schneller) Reaktionsressourcen erfordern - Standorte, die bereit sind, die Last nach Bedarf zu reduzieren, um das Netz aufrechtzuerhalten. Diese Ressourcen sind in der Regel nach Reaktionszeit und Zeitspanne getrennt, für die sie die Änderung aushalten können. NZ hat einen schnellen Markt (1 Sekunde Reaktionszeit für Lasten, 6 Sekunden Reaktionszeit für Generatoren, die 1 Minute gehalten werden), und ein nachhaltiger Markt (60 Sekunden Reaktionszeit, aber länger anhaltend - bis zu 30 Minuten). Zurück zur Auto-Analogie: Hier stößt Ihr Auto auf eine große Unebenheit und biegt Sie in Richtung eines Baumes ab. Sie müssen das Rad in die andere Richtung zurückdrehen, um wieder auf die Straße zu gelangen. Am Ende stößt man auf der anderen Straßenseite gegen einen Baum.

Umgang mit Spitzenwerten - Peaking Generation oder traditionelle Nachfrageantwort - um unsere Autoanalogie zu verwenden, gibt es eine Ecke in der Straße. Wir können es von weitem sehen, und wir müssen eine große Kurve machen, um auf der Straße zu bleiben. Dies sind Sommerhitzewellen, Winterkälteeinbrüche, Abendspitzen usw. Dies kann mit einer Vielzahl von Technologien erreicht werden. Normalerweise stammt der Großteil aus Spitzengeneratoren, die nur an wenigen Tagen im Jahr betrieben werden. Auch hier kommt die Reaktion auf die Nachfrage ins Spiel. Oft ist es billiger, eine Fabrik für 20 Stunden im Jahr zu schließen, als einen vollständigen neuen Spitzengenerator zu bauen und Übertragungsleitungen zu modernisieren

Ich arbeite in diesem Thema und denke, ich kann dabei helfen, dies zu erklären.

Ich erkläre es mit der Wasseranalogie:

Stromfluss -> Wasserfluss

Spannung -> Druck

Sagte das,

Wenn Sie ein Netzwerk mit Knoten und Zweigen haben; An den Knotenpunkten wird das Wasser injiziert und aus dem Netzwerk abgezogen, und an den Abzweigungen werden die Rohre.

(In Stromnetzen sind die Rohre Transformatoren und Leitungen, während die Knoten die Knoten oder Sammelschienen sind.)

Wenn Sie in einem Knoten, der ursprünglich für den Verbrauch vorgesehen war, "Wasser" einspritzen, kann der Druck in den Rohren bis zu einem Niveau ansteigen, bei dem die Rohre brechen. (Dies wäre eine Solarproduktion auf Haushaltsebene.) Auf die gleiche Weise kann ein zu hoher Verbrauch an einem Knoten den Rohrdruck zu stark senken und das System funktioniert nicht.

Um damit umzugehen, muss der Energieüberschuss gespeichert und bei Bedarf bereitgestellt werden. Deshalb sind Batterien der heilige Kern der erneuerbaren Energien.

Eine enorme Durchdringung erneuerbarer Energien ist eine Situation, gegen die sich Netzbetreiber und Elektrizitätsunternehmen aussprechen, da sie gezwungen sind, neue Ansätze für eine Arbeit zu wählen, die sie seit einem Jahrhundert mit wenigen radikalen Änderungen wie denjenigen, die sie vornehmen müssen, ausführen. (Meine Meinung)

Ich hoffe das ist klar genug, sonst kann ich die Dinge weiter erklären, da dies meine tägliche Arbeit ist.

[EDIT: Warum brechen die Rohre?]

Nun, wie Sie es gewünscht haben, werde ich hier etwas näher darauf eingehen:

Jedes Zweigelement (Leitungen & Transformatoren) hat eine Begrenzung in der Strommenge, durch die es gehen kann, ohne sich zu überhitzen und in Brand zu setzen. Dieser Nennstrom kann für eine begrenzte Zeit überstrichen werden, so dass eine Überlastung kein Ereignis für Leben oder Tod ist, wenn sie nicht zu lange anhält. (Auch Überlastungen verringern die Lebensdauer der Elemente.)

Andererseits sollte die Spannung innerhalb eines Bereichs von + -5% der Nennspannung eines Knotens liegen, dies sind 230 V + -5% pro Phase (in Europa sind es in den USA 125?). Durch das Erzeugen von Strom in einem Knoten wird die Spannung in diesem Knoten und in den Nachbarknoten erhöht (bei gleicher Lastsituation). Durch das Erhöhen des Bedarfs in einem Knoten wird die Spannung in diesem Knoten und seinen Nachbarn verringert. Wenn ich zu Hause eine große Menge Sonnenkollektoren anbringe, kann dies zu Spannungsproblemen in meinem Haus und in den Häusern meiner Nachbarn führen. Dieses Problem kann durch eine ordnungsgemäße Firmware-Programmierung des Wechselrichters behoben werden. In vielen Ländern gibt es jedoch keine entsprechenden Vorschriften. Daher gibt es diese Probleme, von denen die Leute noch nichts gehört haben, die aber sehr real sind.

Aber warum muss die Spannung in einem solchen Bereich liegen? Nun, diese Grenze ist eine Sicherheitsbeschränkung, die von den Netzbetreibern festgelegt wird. Wenn die Spannung in den Steckdosen Ihres Hauses zu hoch ist, kann dies die Leistungselektronik Ihrer Geräte (PC-Fernseher usw.) beschädigen. Wenn die Spannung zu niedrig ist, funktionieren elektronische Geräte möglicherweise nicht oder brechen sogar. Eine Glühlampe leuchtet bei hoher Spannung heller und bei niedriger Spannung weniger heller.

Sagen Sie mir, ob weitere Details benötigt werden. Santi.

Wir haben Hochspannungsniveaus zum Transport von Energie und Niedrigspannungsniveaus wie 230 V zur Verteilung von Energie. Als das Netz gebaut wurde und heute die meiste Zeit, geht der Strom vom hoch- zum niedrigvolumigen Teil des Netzes. Ein Tarnformer verteilt den Strom auf mehrere Häuser in einem Dorf oder einer Stadt. Bei dieser niedrigen Spannung gibt es keine N-1-Sicherheit, es gibt nur einen Transformator und viele Häuser um ihn herum. Da der Strom von einer hohen zu einer niedrigeren Spannung wechselt, liegt die höchste Spannung am Transformator. Allenfalls (soweit ich weiß), alten Transformatoren ist diese Spannung konstant. Um den +/- 5% Bereich voll auszunutzen, liegt die Spannung am Tarnsformer bei ca. + 4/5%. Auf dem Weg zu den Häusern kann die Spannung bis zu 10% abfallen und mit -5% ist alles in Ordnung. Wenn jetzt viel Photovoltaik mehr Strom produziert als in diesem Bereich verbraucht wird, muss der Strom über den Transformator ins Netz gehen. Aber jetzt, Der Strom fließt zum Transformator, dh es ist der Punkt mit der niedrigsten und nicht der höchsten Spannung. Daher kann die Spannung leicht zu hoch sein und die Photovoltaik muss abgeschaltet werden (eine zu hohe Spannung kann alle betroffenen Geräte in diesem Bereich beschädigen). Durch die Verwendung / Installation von einstellbaren Transformatoren ist dies kein Problem, die Spannung am Tarnsformer muss lediglich auf z. B. -4% eingestellt werden. Aber sie sind ziemlich teuer.

Ich denke, eine andere gute Analogie ist, dass man sich ein großes (Grundlast-) Kraftwerk wie ein Auto vorstellen kann, das mit Vollgas bergauf gefahren wird. Es wird eine bestimmte Geschwindigkeit (Netzfrequenz) erreichen und an diesem Punkt müssen Sie das Pedal auf dem Boden belassen, um diese Geschwindigkeit auf unbestimmte Zeit beizubehalten. Wenn sich der Hügel abflacht und Sie den Fuß auf dem Boden lassen, erhöht sich die Geschwindigkeit und Sie müssen das Gas abheben, um die Geschwindigkeit wieder zu senken. Dies würde bedeuten, dass die Netzfrequenz zunimmt und die Stromerzeugung verringert wird (Spitzenwerte werden abgeschaltet). Wenn der Berg dagegen steiler wird (die Belastung des Gitters steigt), wird das Auto langsamer (die Frequenz sinkt), aber Sie haben bereits Vollgas. Das Einzige, was Sie jetzt tun können, um wieder auf Touren zu kommen, ist ein weiterer Autoschub. Das wäre eine Peaking-Einheit, die ans Netz geht.