Was passiert mit überschüssiger Energie, die ins Stromnetz eingespeist wird?

Die einfachsten und direktesten Antworten auf die Hauptfrage hängen davon ab, wie "übertrieben" sie ist. Da die meisten Geräte für einen Betrieb innerhalb von +/- 5 % des Nennwerts ausgelegt sind, wird die "zusätzliche Energie" normalerweise als Wärme im Gerät selbst abgeführt. Im Falle einer Glühbirne (zum Beispiel) erzeugt sie mehr Licht und Wärme. Wenn die überschüssige Energie die Toleranz der Geräte überschreitet, werden sie überhitzen und/oder brennen ( Schäden verursachen ). Diese Ergebnisse werden unabhängig davon erzielt, was die „überschüssige Energie“ im Netz verursacht (Blitz, Solaranlagen, Windkraft usw.).

Wenn Sie bei den letzten beiden Fragen eine 12-V-Batterie mit einer 13-V-Quelle aufladen, halten die zusätzlichen 1 V die Batterie "warm", nachdem sie auf 12 V aufgeladen wurde. Wenn Sie ihn mit einer ungeregelten 24-V-Versorgung aufladen, wird der Akku überhitzen, durchbrennen und möglicherweise explodieren. Wenn Sie es mit einer überspannungs- und strombegrenzten Versorgung aufladen, wird die Batterie auf 12 V aufgeladen und die zusätzliche Energie wird als Wärme in den Versorgungsreglern abgeführt. Eine Möglichkeit, „zusätzliche Energie“ „effizient“ zu nutzen, wäre die Verwendung einer Batteriebank und eines „intelligenten“ Ladegeräts, das das Laden auf eine andere Batterie umschaltet, wenn eine geladen ist, und abschaltet (trennt). wenn alle Batterien in der Bank aufgeladen sind. Wenn kein Interesse daran besteht, die zusätzliche Energie zu sparen, kann sie „abgeworfen“ werden.

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

Das Stromnetz, wie es heute in den meisten zivilisierten Ländern existiert, hat eine hierarchische Struktur: Oben sind die großen zentralen Kraftwerke, darunter die großen MS-Verteilnetze oder Verteilerringe, dann kommen die Stadtnetze (normalerweise etwa 400 kV). Dies sind in der Regel unterirdische Hochspannungsnetze, Nachbarschaftsnetze (20 kV oder mehrphasige Netzspannung) und dann die Niederspannungs-Postleitzahlennetze, die 115/230 V verteilen. Wie Ihre Frage bereits andeutet, geht diese Hierarchie natürlich von einem Nettoenergiefluss vom Kraftwerk zum Haus aus und nicht umgekehrt.

Die meiste dezentralisierte Stromerzeugung – nichtkommerzielle Sonnenkollektoren, Windturbinen und dergleichen – findet auf Hausebene statt, dh sie erzeugt 115/230 VAC und pumpt sie in das Stromnetz. Meistens ist dies in Ordnung, da der erzeugte Strom viel geringer ist als der verbrauchte Strom und der Nettoenergiefluss immer noch in die richtige Richtung geht. Selten, aber aufgrund des niedrigen Solarpreises heute häufiger, wird auf Postleitzahlenebene mehr Strom erzeugt als verbraucht. Für praktisch alle Stromnetze ist dies eigentlich kein so großes Problem. Die Transformatoren, die zur Umwandlung von MV in 115/230 V verwendet werden, sind nur lineare Transformatoren und sie funktionieren in einer Richtung genauso gut wie in der anderen. Sie haben fast nie PFC oder andere strömungsrichtungsabhängige Parameter, also ist es in Ordnung.

Das Problem, mit dem die meisten Stromnetze schlecht zurechtkommen, ist das, was eine Stufe darüber passiert. Hier kommen wir zum Umstellungsschritt vom unterirdischen Stadtnetz zu kleineren Blöcken, und diese Umspannwerke haben heutzutage oft PFC oder zumindest eine Art Entkopplungsmechanismus, um sicherzustellen, dass Störungen vom Stadtnetz nicht auf die HV-Leistung zurückgreifen Leitungen wie bei einem Lineartransformator. Wenn dieses Gerät mehr Strom erzeugt, als es verbraucht, kann diese Energie (im Allgemeinen) nirgendwohin gehen, oder wird zumindest durch sehr teure, nicht so einfach überall auszutauschende Elektronik daran gehindert. Die Reflexreaktion des Systems besteht darin, einen Schalter umzulegen und diese Einheit vom Rest des Netzes zu trennen. Dies wird diese Einheit natürlich 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. Aber der Strom wird weiter da sein, bis eine Wolke vorbeizieht, das Netz unter die Brownout-Spannung fällt und die Solar-Wechselrichter sich alle selbst abschalten. Dieses Problem wird als Inselerzeugungsproblem bezeichnet und ist ohne zusätzliche Intelligenz im Stromnetz und in den Wechselrichtern (dh Smart Grids) sehr schwer zu lösen.

Wie Sie jedoch in diesem vorherigen Absatz sehen können, geht die zusätzliche Energie nicht unbedingt irgendwohin. Wenn eine Inselsituation auftritt, 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 schließlich vorbeizieht, schalten sie sich ab und die Situation ist gelöst.

Es gibt alternative Schutzmechanismen. Einige Länder haben Kurzschlussschalter, die mit speziellen (DTMF) Signalen über die Stromleitung aktiviert werden können. Wenn eine Insel entsteht, können sie das Stromnetz kurzschließen und einen Teil des Netzes sofort verdunkeln. Dies ist jedoch keine sehr sichere Vorgehensweise, da dies häufig zu induktiven Spitzen im Stromnetz führt, die sowohl das Netz als auch die Haushaltselektronik beschädigen können. Heutzutage wird dies nur noch selten verwendet. Es ist jedoch ein wichtiger Schutzmechanismus für Stromgeneratoren, die ihre Leistung nicht gut regeln und eine Überspannungssituation verursachen können.

In Deutschland schwankte der Preis für erneuerbare Energien diesen Mai sogar ins Negative , da sie zu viel davon hatten. Mit anderen Worten, sie verlangten von den Erzeugern, die überschüssige Energie abzunehmen. Also gingen sie mit dem Energieüberschuss um, indem sie die Erzeuger dazu anregten, sie nicht ins Netz zu schieben – was mit Solarenergie einfach und mit Windkraft möglich ist.

Unterschiedliche Erzeugungsmethoden haben unterschiedliche Zeitkonstanten – Kernkraftwerke laufen gerne auf Hochtouren und das An- und Abfahren nimmt viel Zeit in Anspruch. Die Wasserkraft kann schnell in der Leistung geändert werden, indem der Wasserfluss umgeleitet oder gedrosselt wird. 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 (laut!) Abgelassen werden, um die Generatoren davon abzuhalten außer Kontrolle geraten. Soweit ich weiß, versuchen sie nicht, die elektrische Energie zu absorbieren, obwohl ich eine Machbarkeitsstudie zur Instrumentierung für eine massive Energiesenke durchgeführt habe, die riesige Energiemengen absorbieren würde (es macht Spaß, Instrumente herzustellen, die mit Gleichtaktspannungen von arbeiten 100 kV).

Energie in großen Mengen einigermaßen effizient zu speichern, ist ein sehr schwieriges Problem, für das es keine offensichtliche Lösung gibt. Verteilte Batterien/Wechselrichter und die Methode der alten Schule, Wasser bergauf in einen Damm zu pumpen, um es zu speichern, und es durch Turbinen und Generatoren strömen zu lassen, um (einige davon) wiederzugewinnen, sind ein paar Methoden.

Lassen Sie mich diese Artikel so umformulieren, dass sie leichter zu verstehen und in einen Zusammenhang zu stellen sind. Ich sehe diese Artikel als Äquivalent zu "Ich habe gerade einen neuen Ferrari gekauft, da gibt es ein ernstes Problem, dass ich ständig die Bremsbeläge ersetzen muss, weil die Leistung meines Motors zu hoch ist, wenn ich mich einer Ampel nähere".

Die einfache Antwort lautet: „Fuß vom Gaspedal nehmen“. dh hören Sie auf, Strom zu produzieren, wenn Sie ihn nicht verwenden können.

Es gibt wirklich kein Problem mit Überproduktion, es gibt ein Problem mit Überlieferung, sie müssen nur den Produzenten signalisieren, "Hör auf, Strom ins Netz zu bringen". Tatsächlich verwenden einige Solarpanel-Controller die Wolkenschatten, um vorherzusagen, wie viel Strom in den nächsten 10 oder 15 Minuten produziert wird, und dies an die Netzbehörde weiterzuleiten .

Solche Artikel sind nicht hilfreich. Es gibt ernsthafte Probleme mit dem Hauptnetz und den Verbindungsleitungen, die einfach durch die Verabschiedung von Gesetzen und die Ausgabe von Geld gelöst werden können. Es gibt viel einfachere Lösungen, wenn Windkraftproduzenten Ihr Steuerungssystem überlaufen lassen.

Es ist ein kompliziertes Problem mit einer Vielzahl von Antworten.

Selbst wenn keine Lösungen vorhanden sind, gibt es eine gewisse Toleranz für ein Missverhältnis zwischen Angebot und Nachfrage. Zu viel Nachfrage / zu wenig Angebot) wird die Spannung und Frequenz im Netz von ihrem üblichen Punkt von 50 Hz / 60 Hz / was auch immer das Netz Ihres Landes ist. Umgekehrt erhöht zu viel Angebot/zu wenig Nachfrage die Frequenz. Eine geringe Frequenzabweichung ist kein signifikantes Problem. In Neuseeland hat das Stromnetz 50 Hz, aber das Netz ist mit Frequenzen von etwa 49 bis 52 Hz in Ordnung. Außerhalb davon können Sie ernsthafte Probleme haben. Insbesondere wenn Sie unter 49 Hz gehen, kann dies Generatoren beschädigen, die automatisch abschalten oder sich selbst isolieren. Dies bedeutet, dass die Netzfrequenz noch weiter sinkt, da weniger Strom bereitgestellt wird, was zu einer Kettenreaktion und schließlich zu einem vollständigen Netzzusammenbruch führt.

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

Frequency Keeping – Dies dient dazu, die Netzfrequenz nach Bedarf sowohl zu erhöhen als auch zu verringern. Um eine Fahranalogie zu verwenden, beobachten Sie jemanden beim Lenken. Sie machen ständig winzige Bewegungen mit dem Lenkrad, sie sind sich dessen wahrscheinlich nicht bewusst, sie reagieren auf die Position des Lenkrads, um das Auto gerade zu halten, wenn es über kleine Unebenheiten auf der Straße fährt. Dies wird traditionell von Generatoren durchgeführt, die mit weniger als 100 % Kapazität laufen 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 Netz im Falle einer N-1-Situation aufrechtzuerhalten - entweder beim Ausfall des größten Generators oder beim Ausfall der Übertragungsleitungen zwischen dem Norden und Neuseeland Südinseln. In Europa arbeitet der Kontinent als Ganzes in einer N-2-Situation, was den Verlust von 2 großen Kernkraftwerken darstellt. Diese Reserven können entweder in Form von Generatoren vorliegen, die unter ihrer Kapazität laufen und schnell hochfahren können, oder (billiger und schneller) Bedarfsreaktionsressourcen – Standorte, die bereit sind, die Last nach Bedarf zu reduzieren, um das Netz aufrechtzuerhalten. Diese Ressourcen werden normalerweise nach Reaktionszeit und Zeitdauer getrennt, für die sie die Änderung aufrechterhalten können. Neuseeland hat einen schnellen Markt (1 Sekunde Reaktionszeit für Lasten, 6 s Reaktionszeit für Generatoren, die 1 Minute lang gehalten werden), und ein nachhaltiger Markt (60 Sekunden Reaktionszeit, aber länger aufrechterhalten - bis zu etwa 30 Minuten). Um auf die Autoanalogie zurückzukommen: Hier trifft Ihr Auto auf eine große Bodenwelle und schleudert Sie auf einen Baum zu – Sie müssen das Rad in die andere Richtung zurückdrehen, um wieder auf die Straße zu gelangen (aber drehen Sie nicht zu weit oder Sie am Ende gegen einen Baum auf der anderen Straßenseite prallen).

Der Umgang mit Spitzen – Peaking Generation oder traditionelles Demand Response – um unsere Auto-Analogie zu verwenden, es gibt eine Kurve auf der Straße. Wir können es schon von weitem sehen, und wir müssen eine große Kurve fahren, um auf der Straße zu bleiben. Dies sind Hitzewellen im Sommer, Kälteeinbrüche im Winter, Abendspitzen usw. Dem kann mit einer Vielzahl von Technologien begegnet werden. Normalerweise stammt der Großteil von Spitzengeneratoren, die nur wenige Tage im Jahr betrieben werden. Auch hier kommt Demand Response ins Spiel – es ist oft billiger, eine Fabrik für 20 Stunden im Jahr abzuschalten, als einen komplett neuen Peaking-Generator zu bauen und Übertragungsleitungen zu modernisieren

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

Ich erkläre es mit der Wasseranalogie:

Elektrischer Stromfluss -> Wasserfluss

Spannung -> Druck

Sagte das,

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

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

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

Der Weg, damit umzugehen, besteht darin, die überschüssige Energie zu speichern und bei Bedarf bereitzustellen, weshalb Batterien der heilige Gral der erneuerbaren Energien sind.

Eine enorme Durchdringung erneuerbarer Energien ist eine Situation, die Netzbetreiber und Elektrounternehmen ablehnen, weil sie sie dazu zwingt, neue Ansätze für eine Arbeit zu übernehmen, die sie seit einem Jahrhundert erledigen, mit wenigen radikalen Änderungen wie denen, die sie vornehmen müssen. (Meine Meinung)

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

[EDIT: Warum brechen die Rohre?]

Nun, wie Sie es angefordert haben, gehe ich hier etwas detaillierter vor:

Jedes Zweigelement (Leitungen und Transformatoren) hat eine Begrenzung der Strommenge, die durchfließen kann, ohne zu überhitzen und in Brand zu geraten. Dieser Nennstrom kann für eine begrenzte Zeit überschritten werden, daher ist eine Überlastung kein lebenswichtiges Ereignis, wenn sie nicht zu lange anhält (Auch Überlastungen verringern die Lebensdauer der Elemente).

Andererseits sollte die Spannung innerhalb von +-5 % der Nennspannung eines Knotens liegen, das sind 230 V +-5 % pro Phase (In Europa sind es in den USA 125?). Die Erzeugung von Strom in einem Knoten erhöht die Spannung in diesem Knoten und in den Nachbarknoten (für die gleiche Lastsituation) Erhöhung der Nachfrage in einem Knoten verringert die Spannung in diesem Knoten und seinen Nachbarn). Aus diesem Grund kann es bei meinem Haus und bei meinen Nachbarn zu Spannungsproblemen kommen, wenn ich zu Hause eine große Anzahl von Solarmodulen aufstelle. Dieses Problem kann durch die richtige Programmierung der Wechselrichter-Firmware gemildert werden, aber in vielen Ländern gibt es keine Vorschriften dazu, also gibt es diese Probleme, von denen die Leute noch nichts gehört haben, die aber sehr real sind.

Aber warum muss die Spannung in einer solchen Grenze liegen? Nun, diese Grenzwerte sind eine Sicherheitsbeschränkung, die von den Netzbetreibern festgelegt wird. Wenn die Spannung in den Steckdosen Ihres Hauses zu hoch ist, kann die Leistungselektronik Ihrer Geräte (PC, Fernseher usw.) kaputt gehen. Wenn die Spannung zu niedrig ist, können elektronische Geräte möglicherweise nicht funktionieren oder sogar kaputt gehen. Eine Glühbirne leuchtet bei hoher Spannung heller und bei niedrigerer Spannung weniger hell.

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

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 erreicht eine bestimmte Geschwindigkeit (Netzspannung) und an diesem Punkt müssen Sie das Pedal auf dem Boden halten, um diese Geschwindigkeit auf unbestimmte Zeit beizubehalten. Wenn der Hügel jetzt flacher wird und Sie Ihren Fuß auf dem Boden lassen, erhöht sich die Geschwindigkeit und Sie müssen vom Gas gehen, um die Geschwindigkeit wieder zu verringern. Dies wäre so, als würde die Netzspannung steigen und die Stromerzeugung reduziert werden (Spitzenlasteinheiten werden abgeschaltet). Wird der Berg hingegen steiler (Last auf dem Gitter steigt), wird das Auto langsamer (Spannung sinkt), aber Sie geben 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 online kommt.

Wir haben Hochspannungsebenen für den Energietransport und Niederspannungsebenen wie 230 V für die Energieverteilung. Als das Netz gebaut wurde und die meiste Zeit heute, geht der Strom vom Hochspannungs- zum Niederspannungsteil des Netzes. Ein Tarnformer verteilt den Strom auf mehrere Häuser in einem Dorf oder einer Stadt. Bei dieser Niederspannung gibt es keine N-1-Sicherheit, es gibt nur einen Transformator und viele Häuser drumherum. Da der Strom von hoher zu niedriger Spannung geht, liegt die höchste Spannung am Transformator an. Bei den meisten (jeden, die ich kenne) alten Transformatoren ist diese Spannung konstant. Um den +/-5% Bereich voll auszunutzen, beträgt die Spannung am Transformator ca. +4/5%. Auf dem Weg zu den Häusern kann die Spannung bis zu 10% abfallen und bei -5% ist alles ok. Wenn nun viel Photovoltaik mehr Strom produziert als in diesem Bereich verbraucht wird, muss der Strom über den Trafo ins Netz gehen. Aber jetzt, der Strom fließt zum Trafo, das heißt, es ist der Punkt mit der niedrigsten, nicht der höchsten Spannung. Daher kann die Spannung leicht zu hoch sein und die Photovoltaik muss abschalten (zu hohe Spannung könnte jedes angeschlossene Gerät in diesem Bereich beschädigen). Durch den Einsatz/Einbau von Stelltrafos ist dieser Fall kein Problem, die Spannung am Tranformer muss lediglich auf zB -4% eingestellt werden. Aber sie sind ziemlich teuer.