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+ Dr. Rainer Bacher
Ihr erfahrener Spezialist für die Optimierung des Designs, Betriebs, Unterhalts, der Kosten, Investitionen; Innovationsprojekte für Smart Grids, Smart Energy Systems, Smart Cities: Wissenschaftlich basiert (ETH-Professor 1993-2000), erfahren in den Energiegesetzen (BFE-Leiter StromVG 2002-2007), erfahren im Schweizer und europäischen Energieumfeld, vertrauenswürdig und neutral. |
+ Dr. Rainer Bacher Your senior specialist for the optimization of the design, operation, maintenance, costs, investments and innovation projects for smart grids, smart energy systems, smart cities: Science based (ETH Professor 1993-2000), experienced in legal energy acts and laws (BFE-Leader StromVG 2002-2007), experienced in the Swiss and European Energy Systems, trustworthy and neutral. |
Smart System Energy Infeed (Primary Energy) and Energy End Use (Final Use Energy) requirements by 2050
- 100% Renewables covering the total European final energy needs, both electricity and heat/cold.
- Strongly increased Energy Efficiency, being the relationship between Used Primary Energy and "final" Energy use (in other [popular] words: From today's fossil based primary energy towards using renewables for final electricity and final heat/cooling needs.)
- Strongly increased Circularity in the context of generation of electricity and consumption of electricity and for heating/cooling. (in other [popular] words: minimum or no waste any more when generating electricity and when consuming electricity and heat/cooling).
Anforderungen an die Primärenergie und die Energieabgabe des intelligenten Energiesystems 2050
- 100% erneuerbare Energien, die den gesamten europäischen Endenergiebedarf abdecken, sowohl Strom als auch Wärme / Kälte.
- Stark gesteigerte Energieeffizienz als Beziehung zwischen verbrauchter Primärenergie und "endgültigem" Energieverbrauch (mit anderen [populären] Worten: Von der heutigen fossilen Primärenergie zur Nutzung erneuerbarer Energien für den "End"-Bedarf an Strom und Wärme- / Kühlbedarf.)
- Stark erhöhte Zirkularität im Zusammenhang mit der Stromerzeugung und dem Stromverbrauch sowie für Wärme / Kühlungbedürfnisse (mit anderen [populären] Worten: minimaler oder kein Abfall mehr bei der Stromerzeugung und beim Verbrauch von Strom und Wärme / Kühlung).
Towards realising Smart Energy Systems with high shares of renewables
- More Electrification: Technological solutions to maintain electricity system strength – and therefore stability – without conventional electricity generation exist in several cases. Specific challenges are expected in the case of a system with a significant share of distributed solar PV and a massive transformation of fossil mobility to Electric mobility (EV: Electric vehicles). Further assessment of the impacts of distributed PV and EV battery charging and discharging on the power distribution network and their implications for electricity security is needed.
- System Adequacy: This is the ability of a power system to cope with a given load at all times (seconds, minutes, etc.). It can be ensured even in a system mainly based on variable renewables as long as substantial sources of flexibility are available, including demand-response, large-scale (central and distributed) short-term and seasonal storage, generation units usually with associated flexible energy storage release capabilities and well-developed electricity transmission and distribution networks and grid interconnections on all grid voltage levels. The maturity, availability and cost of different flexibility mixes is still to be enhanced with growing shares of renewables.
- Operational reserves: The sizing of these reserves and the regulatory framework for balancing responsibilities and procurement needs to be substantially revised at all levels of power system, be it at regional, national or Pan-European (entso-e) levels. Moreover, forecasting methods for variable renewable generation and consumption needs are to be continually improved.
- Grid development: Substantial efforts are necessary beyond 2030 at both electricity transmission and distribution levels and for heat supply grids and conversion/storage. This requires strong proactive steps and public engagement in long-term planning in order to assess costs and work with citizens on social acceptance of all new infrastructures. These efforts can be partly integrated into the renewal of ageing network assets on the electricity side and into replacement by renewable sources and storage of fossil based heat (and cooling) needs.
- Enabling seasonal energy shifts: With increased renewables and in particular distributed PV generation, energy - not locally used for traditional electricity end use needs at peak solar intensity hours (during summer days) -- cannot be fed into the electricity distribution grid without distribution (and transmission) grid capacity expansion and related high costs. As alternative to feeding excess PV electricity into an expanded, costly distribution grid, excess PV electricity can be converted locally into the lowest cost energy carrier and be stored with corresponding storage means. Already today, large heat water storage is a valid possibility to shift at low costs renewable based heat generation and storage from summer towards winter seasons. Other storage means such as through Renewable Power-to-Gas ("green Hydrogen" or carbon-neutral synthetic methane (SNG)) are additional future possibilities (besides hydro reservoirs) to shift energy in large amounts. These seasonal energy shifts must be integrated with Wind power generation on- or offshore which is transported via the electricity transmission grid from often remote locations to distant cities with end-uses of electricity. I.e., the right asset balance between local and remote renewable-based electricity generation must be integrated with the right expansion of distribution and transmission grids combined with storage-based seasonal energy shifts for lowest cost winter energy end uses.
- Digitization of the distribution networks: Traditional electricity distribution networks mainly contain electrical, electromechanical and, in heating networks, thermodynamic components that are designed for continuous operation. The future distribution grids must be more flexible and cope with high power requirements for electromobility as well as with strongly fluctuating feed-ins, for example from PV systems. Information and communication technologies (ICT) are now taking over the distribution network voltage regulation or monitoring, the market processes for the flexible exchange of energy between users of an energy community, the emergency consumer and PV shutdowns as well as the optimal use of batteries and heat storage. The software applications required for this have to be automated and installed, configured, operated and maintained for millions of users with the aid of communication technologies.
Hin zu Smarten Energiesystemen mit grossen Anteilen von Erneuerbaren
- Verstärkte Elektrifizierung: Hoher Anteil an dezentraler Solar-PV und einer massiven Umwandlung der fossilen Mobilität in Elektromobilität (EV: Elektrofahrzeuge) erwartet. Eine weitere Bewertung der Auswirkungen des Ladens und Entladens verteilter PV- und EV-Batterien auf das Stromverteilungsnetz und ihrer Auswirkungen auf die Stromsicherheit ist erforderlich.
- Systemadäquanz: Dies ist die Fähigkeit eines Stromversorgungssystems, eine bestimmte Last jederzeit (Sekunden, Minuten usw.) zu bewältigen. Dies kann auch in einem System sichergestellt werden, das hauptsächlich auf variablen erneuerbaren Energien basiert, solange erhebliche Flexibilitätsquellen verfügbar sind, einschließlich bedarfsgerechter, großflächiger (zentraler und verteilter) Kurzzeit- und saisonaler Speichererzeugungseinheiten, die normalerweise mit zugehöriger flexibler Energie verbunden sind Speicherfreigabefunktionen und gut ausgebaute Stromübertragungs- und -verteilungsnetze sowie Netzverbindungen auf allen Netzspannungsebenen. Die Reife, Verfügbarkeit und Kosten verschiedener Flexibilitätsmischungen müssen durch wachsende Anteile erneuerbarer Energien noch verbessert werden.
- Betriebsreserven: Die Dimensionierung dieser Reserven und der Rechtsrahmen für die Abwägung von Zuständigkeiten und Beschaffung müssen auf allen Ebenen des Stromnetzes, sei es auf regionaler, nationaler oder europaweiter (entso-e) Ebene, grundlegend überarbeitet werden. Darüber hinaus sollen die Prognosemethoden für den variablen Bedarf an erneuerbarer Energieerzeugung und -verbrauch kontinuierlich verbessert werden.
- Netzentwicklung: Nach 2030 sind erhebliche Anstrengungen sowohl auf der Ebene der Stromübertragung als auch der Stromverteilung sowie für die Wärmeversorgung und die Umwandlung / Speicherung erforderlich. Dies erfordert starke proaktive Schritte und ein öffentliches Engagement in der langfristigen Planung, um die Kosten zu bewerten und mit den Bürgern an der sozialen Akzeptanz aller neuen Infrastrukturen zu arbeiten. Diese Bemühungen können teilweise in die Erneuerung alternder Netze auf der Stromseite und in den Ersatz von fossiler Wärmebedarfs (und Kühlung) durch erneuerbare Quellen und die Speicherung integriert werden.
- Saisonale Energieverschiebungen: Mit zunehmenden erneuerbaren Energien und insbesondere dezentraler PV-Erzeugung kann Energie, die zu Spitzenzeiten der Sonnenintensität (an Sommertagen) nicht lokal für den traditionellen Strombedarf genutzt wird, nicht ohne Verteilung in das Stromverteilungsnetz eingespeist werden (und Übertragung) Netzkapazitätserweiterung und damit verbundene hohe Kosten. Alternativ zur Einspeisung von überschüssigem PV-Strom in ein erweitertes, kostspieliges Verteilungsnetz kann überschüssiger PV-Strom lokal in den kostengünstigsten Energieträger umgewandelt und mit entsprechenden Speichermitteln gespeichert werden. Bereits heute ist ein großer Wärmespeicher eine gültige Möglichkeit, die Erzeugung und Speicherung von Wärme auf erneuerbarer Basis kostengünstig von Sommer auf Winter umzustellen. Andere Speichermittel wie erneuerbares Power-to-Gas ("grüner Wasserstoff" oder klimaneutrales synthetisches Methan (SNG)) sind neben Speicherseen zusätzliche zukünftige Möglichkeiten, Energie in großen Mengen zu verlagern. Diese saisonalen Energieverschiebungen müssen in die Windenergieerzeugung auf oder vor der Küste integriert werden, die über das Stromübertragungsnetz von häufig abgelegenen Orten in entfernte Städte mit Endverbrauch von Strom transportiert wird. Das heißt, das richtige Gleichgewicht zwischen lokaler und entfernter Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen muss mit dem richtigen Ausbau der Verteilungs- und Übertragungsnetze in Kombination mit speicherbasierten saisonalen Energieverschiebungen für kostengünstigste Winterenergie-Endnutzungen kombiniert werden.
- Digitalisierung der Verteilnetze: Traditionelle Elektrizitätsverteilnetze beinhalten vor allem elektrische, elektromechanische und in Wärmenetzen thermodynamische Komponenten, die für einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt sind. Die zukünftigen Verteilnetze müssen flexibler sein und mit hohen Leistungen für die Elektromobilität ebenso zurechtkommen wie mit stark fluktuierender Einspeisung, zum Beispiel aus PV-Anlagen. Neu übernehmen Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) die Verteilnetzspannungsregelung oder -überwachung, die Marktprozesse für den flexiblen Energieaustausch zwischen Nutzern einer Energiegemeinschaft, die Notfall-Verbraucher- und PV-Abschaltungen wie auch den optimalen Batterie- und Wärmespeichereinsatz. Die dafür benötigten Software-Applikationen müssen automatisiert und unter Zuhilfenahme von Kommunikationstechnologien bei Millionen von Nutzern installiert, konfiguriert, betrieben und unterhalten werden.