Der Weg zur All Electric Society führt über smarte Technologien (Quelle: Phoenix Contact)
Auf den ersten Blick erscheinen die großen Herausforderungen der Zeit – der Kampf gegen die Erderwärmung und das Streben von Milliarden von Menschen nach Wohlstand und Entwicklung –unvereinbar. Die kniffelige Frage: Wie kann es gelingen, Energieverbrauch zuzulassen und trotzdem das Klima zu schützen? Die Antwort ist die All Electric Society. Dieses Zukunftsbild beschreibt eine lebenswerte Welt, deren gesamter Energiebedarf ökologisch und wirtschaftlich nachhaltig aus regenerativen Quellen gedeckt wird. Wie schnell es Wirklichkeit wird, hängt davon ab, wie entschlossen wir jetzt handeln. Denn es gibt nichts, was dafür noch erfunden werden müsste.
Mit Produkten, Lösungen und Dienstleistungen für Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung unterstützt das Technologieunternehmen Phoenix Contact Industrie und Gesellschaft auf dem Weg zur All Electric Society. Dieser Weg führt über die Sektorenkopplung. Sie vernetzt die Lebens- und Arbeitsbereiche Industrie, Energie, Infrastruktur und Mobilität zu einem Gesamtsystem. So lassen sich Energieerzeugung, -verteilung, -speicherung und -verbrauch optimal ausbalancieren. Aber worauf genau kommt es an jeder Station des Energieflusses an?
Die Energiewende beschleunigen
Beim Thema Energieerzeugung lohnt ein Blick nach Portugal. Dort stammt bereits mehr als die Hälfte des Stroms aus erneuerbaren Energien. Die installierten Kapazitäten zeigen jedoch, dass bisher vor allem Wasser- und Windkraft eine wichtige Rolle spielen, Photovoltaik hingegen kaum genutzt wird. Dies ändert sich gerade. Bis Ende 2021 wurden in Portugal Freifeldanlagen mit einer Leistung von insgesamt 1,7 GWp errichtet. Die Prognosen bis 2030 liegen bei einem weiteren Zubau von über 9 GWp.
Zertifizierte Einspeiseregler von Phoenix Contact bringen neue Anlagen schnell und unbürokratisch ans Netz – ohne lange auf das Zertifikat für die Netzkonformität warten zu müssen. Sie machen den Weg zur Energiewende damit nicht nur einfacher, sondern beschleunigen sie sogar. Das integrierte PV-Parkmanagement von Phoenix Contact wird u.a. von sechs der neuen portugiesischen PV-Anlagen genutzt. Es erfasst, verarbeitet und wertet alle anfallenden Daten aus, um den Betrieb möglichst effizient zu machen. Dabei arbeiten die Datenlogger mit einem automatischen Erkennungsmodus, weshalb sich alle im PV-Park installierten Systeme einfach per Plug-and-Play verbinden lassen. Es ist keine Konfiguration notwendig, was die Zeit zur Inbetriebnahme ebenfalls deutlich reduziert.
Energie sicher verteilen
Sonne und Wind sind zwar CO2-neutrale Energiequellen, liefern jedoch stark schwankende Mengen und sind nicht jederzeit verfügbar. Um dennoch die benötigte Energie bereitzustellen, braucht es große installierte Leistungen in vielen über das Land verteilten Anlagen. Mit dem Ausbau wachsen die Herausforderungen für die Energieverteilung: Netzengpässe und Spannungsschwankungen nehmen perspektivisch zu. Um ihnen zu begegnen, sind zuverlässige Möglichkeiten der Messung und Steuerung wichtiger denn je. Die Fernwirktechnik von Phoenix Contact nimmt Stromund Spannungsmesswerte sowie Status- und Fehlermeldungen auf und übermittelt sie per Fernwirkprotokoll an die Leitstelle des Netzbetreibers. So bekommt er ein exaktes und aktuelles Bild der Anlagen im Netz und kann, falls erforderlich, steuernd eingreifen.
Gleichzeitig werden statistische Daten über Energieflüsse im Netz gewonnen. Sie sind eine wichtige Entscheidungsgrundlage für einen weiteren potenziell notwendigen Netzausbau. Und auch Fehler im Netz lassen sich durch geeignete Digitalisierung schneller lokalisieren und mittels intelligenter Fernsteuerung zügiger beheben. Die Versorgungssicherheit steigt.
Energie bedarfsgerecht wandeln und speichern
Große Bedeutung für einen sicheren und effizienten Betrieb der Netze hat zudem die kurzfristige Energiespeicherung. Die großen Unterschiede durch fluktuierende Erzeugungsleistung aus Photovoltaik- und Windenergieanlagen einerseits, sowie dynamische Verbrauchsspitzen wie durch Ladevorgänge von Elektrofahrzeugen und Wärmepumpen andererseits, machen sie erforderlich. Hier empfehlen sich batterieelektrische Speichersysteme. Sie können im Gegensatz zu Pumpspeicherkraftwerken unabhängig von geografischen Voraussetzungen beliebig dimensioniert und verteilt aufgebaut werden. Hierfür bietet Phoenix Contact sichere Anschluss- sowie intelligente Steuerungstechnik für ein effizientes Last- und übergeordnetes Energiemanagement.
Doch auch in der All Electric Society lassen sich nicht alle Prozesse und Sektoren komplett elektrifizieren. Beispiele sind die Stahlproduktion oder die Luftfahrt. Hier sind Power-to-X-Verfahren gefragt, die Strom aus erneuerbaren Energien in flüssige oder gasförmige Energieträger wandeln, die fossile Brennstoffe ersetzen können. Durch langjährige Erfahrungen im Bereich der Prozessindustrie besitzt Phoenix Contact ein umfangreiches Portfolio an Lösungen und Dienstleistungen, die auch in der Power-to-X-Industrie anwendbar sind. Dazu gehören ganze Produktreihen mit relevanten Zertifizierungen wie für die Bereiche funktionale Sicherheit, Explosionsschutz und Cyber Security.
Energie effizient nutzen
Neben der konsequenten Erzeugung und Nutzung regenerativer Energie ist die Senkung des primären Strom- und Ressourcenbedarfs durch Effizienzmaßnahmen der Schlüssel für eine nachhaltige Zukunft. Mögliche und erprobte Anwendungsfälle hierzu zeigt die PLCnext Factory von Phoenix Contact in Bad Pyrmont. Durch nur minimalinvasives Eingreifen in Bestandsprozesse konnte die Gesamtanlageneffektivität in nur 1,5 Jahren um 11 % gesteigert werden.
Dafür kamen externe Blackboxen zum Einsatz: Utility-Metering-, Data-Collectionund Network-Segmentation-Boxen. Das dabei verwendete offene Ecosystem von PLCnext Technology ermöglicht jederzeit unterschiedliche Konnektivität zur Signal- und Feldebene sowie zur IT- beziehungsweise Cloud-Ebene. So werden Anwendungen zum bedarfsgenauen maschinellen Lernen künstlicher Intelligenzen möglich – und damit die unkomplizierte Nutzung enormer Effizienzpotenziale. Ein weiterer wichtiger Schritt in Richtung All Electric Society.
STATEMENTS von Phoenix Contact-Experten
1 Welche technischen Lösungen sind nötig, damit die All Electric Society möglichst schnell Wirklichkeit werden kann?
Zunächst einmal müssen wir erneuerbare Energien wie Photovoltaik und Windenergie massiv ausbauen – in Deutschland, in Europa und weltweit. Da diese beiden Arten der Energieerzeugung sehr volatil sind und nur dann funktionieren, wenn die Sonne scheint, beziehungsweise wenn der Wind weht, muss parallel in die Energiespeicherinfrastruktur investiert werden. Vor allem sind mehr große Batteriespeicher nötig. In Kombination mit Heimspeichern und dem bidirektionalen Laden von Elektroautos ist eine kontinuierliche, sichere Stromversorgung auf Basis erneuerbarer Energien möglich.
2 Bei der Vielzahl von Möglichkeiten: Womit sollten wir anfangen und warum?
Um eine hohe Versorgungssicherheit und stabile Stromnetze zu gewährleisten, benötigen wir intelligente Steuerungstechnik. Sie muss in der Lage sein, die dezentrale Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen, die Stromeinspeisung, -speicherung und bidirektionales Laden intelligent zu managen. Hierfür wären standardisierte Schnittstellen für einen einfachen Datenaustausch von großem Vorteil.
Maren Gast, Global Industry Management Solar Power
1 Welche technischen Lösungen sind nötig, damit die All Electric Society möglichst schnell Wirklichkeit werden kann?
Die elektrischen Energieverteilnetze sind das Bindeglied zwischen den erneuerbaren Energien und den Sektoren Industrie, Infrastruktur und Mobilität. Um die Verteilung sicher und flexibel zu erfüllen, müssen die Netze umfassend modernisiert werden. Die dazu notwendigen Investitionen sollten bedarfsgerecht auf Basis von gesammelten Netzdaten erfolgen, um den Investitionsbedarf zu antizipieren und die Planung zu optimieren. Ferner sollte der Fokus auf der Netzstabilität liegen. Neben einem intelligenten Lastmanagement werden batterieelektrische Speichersysteme hierfür einen wichtigen Beitrag leisten. Dies ermöglicht Anwendungen wie Spitzenlastmanagement und Eigenverbrauchserhöhung. Darauf können intelligente Managementsysteme wie z.B. für die Ladeinfrastruktur im Mobilitätssektor aufbauen. Für all das ist ein verbessertes Datenmanagement unter Berücksichtigung eines hohen IT-Sicherheitsstandards wichtig.
2 Bei der Vielzahl von Möglichkeiten: Womit sollten wir anfangen und warum?
Eine der ersten Bemühungen sollte es sein, ein genaueres Abbild des Energienetzes auf der Verteilebene zu erhalten, also im Mittelspannungs- und Niederspannungsnetz. Nur so kann eine Ausbauplanung im Sinne der All Electric Society bedarfsgerecht auf Basis valider Daten erfolgen. Und nur so kann auf dynamische Änderungen im Netz flexibel und zeitnah reagiert werden.
Andreas Flandermeier, Product Services Energy
1 Welche technischen Lösungen sind nötig, damit die All Electric Society möglichst schnell Wirklichkeit werden kann?
Auch innerhalb der All Electric Society wird es in absehbarer Zukunft nicht nur rein elektrische Lösungen geben. Dies gilt z.B. im Sektor Industrie für die Stahl- und Zementproduktion oder im Sektor Mobilität für die Schiff- und Luftfahrt. Um diese Bereiche genau wie die Stromerzeugung unabhängig von fossilen Brennstoffen zu machen, muss parallel zu den erneuerbaren Energien die Power-to-X-Industrie ausgebaut werden. In Power-to-X-Verfahren wird erneuerbare Energie in gasförmige oder flüssige Energieträger umgewandelt, die fossile Brennstoffe ersetzen können.
2 Bei der Vielzahl von Möglichkeiten: Womit sollten wir anfangen und warum?
Der Fokus bei Power-to-X sollte zunächst auf der Gewinnung von grünem Wasserstoff durch Elektrolyse liegen. Denn zum einen kann der grüne, also CO2-neutral mit erneuerbaren Energien gewonnene Wasserstoff direkt als Energieträger verwendet werden. Zum anderen ist er zugleich die Basis für viele weitere gasförmige und flüssige Energieträger wie zum Beispiel für synthetisches Methan oder für Ammoniak.
Andreas Lautmann, International Business Development Power-to-X
1 Welche technischen Lösungen sind nötig, damit die All Electric Society möglichst schnell Wirklichkeit werden kann?
Ein großer Schritt hin zur All Electric Society ist es, Transparenz in den Sektor Industrie zu bringen – und zwar in jede einzelne Fabrik. Denn um einen ressourcenschonenden Betrieb zu erreichen, bedarf es diverser Informationen aus der kompletten Fabrikinfrastruktur. Dafür müssen verschiedenste Daten richtig erfasst, verwaltet und genutzt werden. Nur so und mit einer offenen interoperablen Steuerungsarchitektur lässt sich jede Art von Produktion maximal energie- und ressourceneffizient gestalten.
2 Bei der Vielzahl von Möglichkeiten: Womit sollten wir anfangen und warum?
Nicht jede Fabrik kann von heute auf morgen komplett neu konzipiert und gebaut werden, sodass sie vollumfänglich dem Zukunftsbild der All Electric Society gerecht wird. Deswegen ist es wichtig, erst einmal Bestandsanlagen im Sinne eines minimalen CO2-Fußabdrucks und einer ressourcenschonenden Produktion zu optimieren. Hier lässt sich minimalinvasiv, ohne die Produktion zu unterbrechen oder gar zu gefährden, auf Daten- und Steuerungsebene viel erreichen. Indem man vorhandene Messstellen und bereits verfügbare Daten intelligent für Steuerungsprozesse nutzt, werden Fabriken und ihre Produkte nachprüfbar nachhaltiger. Und dies bei gleichbleibender oder sogar gesteigerter Gesamtanlageneffektivität.
Markus Kick, International Business Development Factory Automation