Am 22. Oktober 2007 gegen Mittag erhielt die Universität von Kalifornien, San Diego, einen Notruf vom örtlichen Versorgungsunternehmen. Regionale Waldbrände hatten Stromleitungen beschädigt und deaktiviert, und der kalifornische Netzbetreiber hatte einen Notfall für die Energieübertragung erklärt. San Diego Gas & Electric forderte die Universität auf, die Strommenge, die sie aus dem Stromnetz bezog, zu reduzieren und nach Möglichkeit Strom für andere Energieversorgungsunternehmen zu erzeugen.
Innerhalb von 10 Minuten hat der Campus 4 Megawatt Strom aus dem Stromnetz bezogen und 3 Megawatt eingespeist, sagt Byron Washom, Direktor für strategische Energieinitiativen für UCSD. "Diese 7 Megawatt waren der hauchdünne Abstand zwischen dem Gas- und Stromnetz von San Diego, der bestehen blieb oder zusammenbrach."
Der Campus in San Diego konnte zum Teil so schnell reagieren, weil seine Gründer vor einem halben Jahrhundert beschlossen hatten, die Grundlage für eine autarke Stromversorgung zu legen, oder was Energieexperten heute als „Mikrogitter“ bezeichnen Der Campus war 1962 ein zentrales Kraftwerk, das die Gebäude der Schule mit Gasstrom sowie mit Fernwärme und Fernkälte versorgte. Das an sich war und ist nicht ungewöhnlich für einen akademischen oder sogar einen Firmencampus. Im Laufe der Jahre wurde UCSD jedoch durch das Hinzufügen von Dampfturbinen, Photovoltaik-Solarmodulen, Brennstoffzellen und Energiespeichern autark. Außerdem wurden Stromleitungen für die Übertragung von Strom zum und vom Stromnetz von SDG & E installiert.
All diese Ressourcen werden jetzt von einem ausgeklügelten Energiemanagementsystem gesteuert. Das Campus-Microgrid ermöglicht es der Universität, Strom nach Bedarf zu erzeugen, zu speichern und zu versenden, sodass letztendlich 92 Prozent des auf dem Campus verbrauchten Stroms zur Verfügung stehen. Obwohl die Universität normalerweise Strom aus dem SDG & E-Netz bezieht, um ihre etwa 38-Megawatt-Last zu decken, kann sie auch bei Stromproblemen oder Stromausfällen außerhalb des Campus auf den Inselmodus umschalten, um den gesamten eigenen Strombedarf zu decken. Und wenn das Hauptstromnetz im Großraum San Diego knapp ist, kann UCSD Strom an SDG & E verkaufen.
Als Reaktion auf den Notruf von 2007 zündete die Universität eine 3-Megawatt-Dampfturbine an und reduzierte den Strombedarf, indem sie die Einstellungen für die Klimaregelung anpasste und statt elektrischer Kältemaschinen kaltes Wasser für das Kühlsystem aus hocheffizienten Wärmespeichern bezog. „Mit unserem Steuerungssystem können wir mit nur zwei Mausklicks 4.000 Thermostate auf dem Campus ändern“, sagt Washom.
UCSD und andere Microgrid-Betreiber bieten eine moderne Version der kleinen Gleichstromversorgungssysteme, die ab den 1870er Jahren in Fabriken und Innenstädten installiert wurden. Wie diese frühen Systeme zeichnen sich diese neuen Konstruktionen eher durch die lokale Erzeugung und Verteilung von Elektrizität als durch die Fernübertragungsleitungen und dezentralen zentralen Kraftwerke aus, die das Stromnetz des 20. Jahrhunderts charakterisierten. "Wir bauen gerade das Stromnetz ab, zurück zu [Thomas] Edison", sagt Jim Reilly, dessen Beratungsunternehmen Reilly Associates das Energieministerium beim Betrieb von Mikronetzen berät.
Die Wurzeln dieses Dekonstruktionstrends reichen bis in die späten 1990er Jahre zurück, als das US-Energieministerium beschloss, die Forschung in Bezug auf Kraftübertragung und Zuverlässigkeit voranzutreiben. Der Umzug erfolgte als Reaktion auf die Deregulierung der Stromversorgung und die Erwartung einer kommenden Welle von Solarzellen auf dem Dach und anderen Formen der dezentralen Stromerzeugung. „Zu diesem Zeitpunkt hatten wir noch kein Konzept für‚ Microgrids 'an sich “, sagt Chris Marnay, einer der Pioniere der Microgrid-Forschung. Die Idee, vor Ort Energie zu erzeugen, war alt. Es bedurfte jedoch einiger Fortschritte bei der Steuerung und Leistungselektronik, um ein echtes Mikronetz zu schaffen, das mit dem größeren Stromnetz interagieren und dieses „inseln“ konnte. Innerhalb weniger Jahre formalisierte Marnays Forschungsgruppe am Lawrence Berkeley National Laboratory die Idee eines Mikronetzes in einem Projekt für die California Energy Commission.
Die Vorteile des UCSD-Mikronetzes - Agilität und Autarkie - sind bei Energieverbrauchern, die bei Stromausfall schwerwiegende Folgen riskieren, wie Universitäten, die sensible Laborgeräte betreiben, Militärstützpunkte mit Waffenkontrollsystemen und Rechenzentren, sehr gefragt Unmengen an Informationen. "Es sind die Einrichtungen, die eine ungewöhnlich hohe Stromqualität wünschen, in denen wir im Moment den größten Teil des Geschehens sehen", sagt Marnay, der im Juni aus der Grid Integration Group des Berkeley Lab ausgeschieden ist.
Extreme Wetterereignisse in den letzten Jahren, wie der Hurrikan Sandy, haben die Wirtschafts-, Militär- und Politikführer an die Anfälligkeit der Elektrizitätsinfrastruktur in den Vereinigten Staaten erinnert. "Die zunehmende Häufigkeit von Naturkatastrophen führt zu einem stärkeren Interesse an Lösungen für das Mikronetz und die Notstromversorgung", sagt Brian Carey, Leiter der US-amerikanischen Cleantech-Beratungspraxis für die als PwC bekannte Wirtschaftsprüfungsgesellschaft PricewaterhouseCoopers.
Ein 71-Millionen-Dollar-Mikronetz, das beispielsweise am Hauptsitz der US-amerikanischen Lebensmittel- und Arzneimittelbehörde gebaut wurde, versorgte den Campus während und nach dem Hurrikan Sandy mit Strom, als das regionale Stromnetz ausfiel. Im März 2011 versorgte das Sendai Microgrid auf dem Campus der Tohoku Fukushi University in Sendai City, Japan, die Kunden nach dem verheerenden Erdbeben und Tsunami in Tohoku mit Strom und Wärme.
Während die Ausfallsicherheit seit langem der Schlüssel für die Attraktivität von Mikronetzen für Anlagen mit kritischer Strombelastung ist, rücken die sich verändernden Energiepreise und der technologische Fortschritt die Mikronetze in Reichweite für Städte und Stadtteile, die eine lokale Kontrolle über ihre Stromversorgung oder sauberere Energie als die von ihnen angebotenen wünschen Nützlichkeit.
Photovoltaik-Solarmodule kosten heute 80 Prozent weniger als im Jahr 2008. Das Beratungsunternehmen McKinsey & Company prognostiziert, dass die Preise für Lithium-Ionen-Batterien bis 2020 von derzeit etwa 500 bis 600 US-Dollar pro Kilowattstunde auf 200 US-Dollar pro Kilowattstunde sinken könnten. Anlagen, die Mikronetze bauen, können auch Jahr für Jahr Geld sparen, indem sie weniger Strom von ihrem örtlichen Energieversorger beziehen oder in einigen Fällen Strom an den Energieversorger verkaufen, wenn die Versorgung knapp ist.
„Es kann eine erhebliche Kostenersparnis sein, wenn eine Universität oder ein Krankenhaus tatsächlich Strom auf der Grundlage des Echtzeitmarktpreises für Strom verkaufen kann, nicht nur zu dem Preis, den sie normalerweise zahlen würden“, sagt Carey von PwC. "Die Preise können dramatisch schwanken, von 15 bis 20 Cent pro Kilowattstunde bis zu einstelligen Dollars pro Kilowattstunde."
Laut Byron Washom von UCSD spart die Universität monatlich 800.000 US-Dollar an Strom, indem sie 92 Prozent ihres Stromverbrauchs erzeugt. Laut FDA spart das Campus-Microgrid der Behörde jährlich 11 Millionen US-Dollar an Energiekosten.
Die schnell ausgereifte Technologie ermöglicht eine bessere Integration und Optimierung von Mikrogitterkomponenten. So informiert Washom das Energiemanagementsystem des Campus, wenn es darum geht, Batterien zu laden oder zu entladen. „Wir sind Zeugen überlegener Steuerungssysteme, die sowohl ein Mikronetz als auch eine gesamte Anlage verwalten können“, sagt er. "Es gibt eine ganze Reihe neuer Tools, mit denen Sie Ihr Angebot, Ihre Nachfrage, Ihre Lagerhaltung und Ihre Importe verwalten können." Bald, so Washom, werden Energiemanager alle paar Minuten die Bereitschaft des Systems beurteilen, die Anlagen zu antizipieren oder zu verwalten auf veränderte Bedingungen reagieren.
Während die Technologie voranschreitet, sind Experten der Ansicht, dass neue Richtlinien erforderlich sind, um die Einführung von Microgrids zu beschleunigen. Laut Marnay treiben die aktuellen US-Politiken auf Bundes- und Länderebene einzelne Energietechnologien wie Solar-, Wind- und Energiespeicher voran. Für den Einsatz dieser Technologien in komplexen Systemen wie Mikronetzen ist jedoch mehr Unterstützung erforderlich.
Das Energieministerium hat bereits mit lokalen und staatlichen Behörden zusammengearbeitet, um die militärischen Mikrogitterkonstruktionen für zivile Anwendungen anzupassen. In New Jersey zum Beispiel, wo der Hurrikan Sandy die öffentlichen Verkehrsmittel ausschaltete und einige Bewohner für eine Woche oder länger ohne Strom waren, arbeitet DOE mit der staatlichen Verkehrsbehörde zusammen, um ein Mikronetz zu entwickeln, das dazu beitragen soll, dass elektrisch angetriebene Züge während eines natürlichen Zeitraums fahren Katastrophe.
Die Energieabteilung hat auch begonnen, eine aktivere Rolle bei der Festlegung von Standards für das Design und den Betrieb zukünftiger Mikronetze sowie deren Integration in die vorhandene Energieinfrastruktur zu übernehmen. Sogar die Definition, was ein Mikronetz ausmacht, ändert sich: Der Maßstab könnte in den kommenden Jahren bis zu 60 Megawatt erreichen. Eine Expertengruppe der Agentur erarbeitet einen Plan für ein kommerzielles Mikronetzsystem, mit dem Ausfallzeiten um mehr als 98 Prozent zu Kosten gesenkt werden können, die mit einer dieselbetriebenen Notstromversorgung vergleichbar sind, während die Emissionen gesenkt und die Energieeffizienz des Systems um mindestens 30% verbessert werden mindestens 20 Prozent bis 2020.
Laut Carey sollte die Standardisierung den Projektentwicklungsprozess rationalisieren, die Kosten senken und den Zugang zu Finanzmitteln verbessern, indem es den Banken erleichtert wird, das Risiko zu bewerten. „Es ist offensichtlich eine sehr kostspielige Angelegenheit und eine große Belastung für ihre Bereitstellung, für jedes Mikronetz ein spezialisiertes Engineering zu haben“, sagt Marnay.
Letztendlich drohen Mikronetze das zentralisierte Stromerzeugungs- und -verteilungsmodell, das das US-amerikanische Stromsystem seit mehr als einem Jahrhundert beherrscht, auf den Kopf zu stellen. „Die Energieversorger sehen in Mikronetzen eine Bedrohung für ihre Einnahmequellen“, sagt Carey. Die Vorteile von Stromversorgungen, die sich nach Bedarf vom herkömmlichen Stromnetz trennen oder mit diesem synchronisieren lassen, überzeugen jedoch zunehmend Energieversorger wie SDG & E. Carey sagt: "Es sollte ihnen ermöglichen, das Netz stabiler zu halten."
