Verbesserung des US-Stromnetzes: Schwachstellen mindern und Betrieb verbessern

May 17, 2023

Das US-amerikanische Stromnetz weist viele Schwachstellen auf, aber Energieversorger investieren mit zusätzlicher Unterstützung der Regierung in das System und verbessern seinen Betrieb durch neue innovative Technologien.

Das Stromnetz ist wohl die wichtigste Infrastruktur, die es in den USA gibt. Fast alles im Land hängt von einer zuverlässigen Stromversorgung ab, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Die Regierung, die Industrie, kommerzielle Unternehmen, Notfallteams, Militäreinsätze und mehr wären ohne Elektrizität ernsthafte Beeinträchtigungen.

Das US-Energieministerium (DOE) hat berichtet, dass mehr als 70 % der Stromübertragungsleitungen und Transformatoren des Landes älter als 25 Jahre sind (Abbildung 1). Darin liegt eine der größten Schwachstellen, da die Ausrüstung nicht ewig hält. Ältere Komponenten sind anfälliger für Ausfälle.

Viele Netzkomponenten sind rauen Umgebungen ausgesetzt. Im Laufe der Zeit können Umweltfaktoren wie Temperaturschwankungen, Luftfeuchtigkeit und Witterungseinflüsse sowie andere Belastungen des Systems zu Verschleiß und Ausfällen führen. Die Isolierung kann schwächer werden und Metallkomponenten können korrodieren, was beides anfälliger für Ausfälle macht. Je länger Transformatoren, Leistungsschalter und Kabel in Betrieb sind, desto wahrscheinlicher ist es, dass sie einer Überlastung ausgesetzt waren, die zu Überhitzung und Schäden führen kann. Auch dies kann zu Ausfällen führen, insbesondere wenn Komponenten über längere Zeiträume außerhalb der Auslegungsparameter betrieben werden.

Die US-Regierung erkennt, dass das Stromnetz Aufmerksamkeit erfordert. „Extreme Wetterereignisse wie der Dixie Wildfire, der Hurrikan Ida und der Texas Freeze 2021 haben deutlich gemacht, dass die bestehende Energieinfrastruktur Amerikas den anhaltenden Auswirkungen extremer Wetterereignisse, die durch den Klimawandel ausgelöst werden, nicht standhalten wird“, sagte das Energieministerium. Veraltete Komponenten müssen ausgetauscht werden.

Unterdessen müssen auch die Versorgungsunternehmen ihre Systeme erweitern, um dem erwarteten Wachstum Rechnung zu tragen. Das Energieministerium geht unter Berufung auf unabhängige Schätzungen davon aus, dass die Stromübertragungssysteme in den USA bis 2030 um 60 % wachsen werden, und sagte, dass die Größe des Netzes bis 2050 möglicherweise verdreifacht werden müsse. Ein Großteil des Wachstums wird auf eine umfassende Elektrifizierung, auch im Transportsektor, zurückzuführen sein.

„Da die Nachfrage nach Strom steigt und lebenswichtigere Funktionen von einer zuverlässigen Versorgung abhängen, verändert sich das Netz und es muss in der Lage sein, viel mehr Strom zu erzeugen und zu verteilen als in der Vergangenheit“, sagte Kumar Chandran, Senior Director von Kommerzielle Strategie mit S&C Electric Co., sagte POWER. „Gleichzeitig stellt die zunehmende Häufigkeit und Intensität von Stürmen und anderen Wetterereignissen eine große Bedrohung für das Netz dar. Der Verteilungsteil des Netzes, der über eine minimale Automatisierung verfügt, ist besonders anfällig für erhebliche Auswirkungen bei Wetterereignissen und danach. wenn der Wiederaufbau beschädigter Infrastruktur viel Zeit in Anspruch nimmt.“

In einem Artikel, der vor einigen Jahren von The Bridge, einer Publikation der National Academy of Engineering, veröffentlicht wurde, schrieb Theodore U. Marston, Leiter von Marston Consulting: „Die übergeordnete Herausforderung für das US-Energiesystem besteht darin, die veraltete Infrastruktur zu erhalten oder zu ersetzen.“ die vielfältigen Eigentümer/Betreiber und Finanzierungsmechanismen. Im Gegensatz zum High-Tech-Sektor, in dem der Umsatz von Technologien in Monaten gemessen wird und sich durch hohe Agilität und potenziell hohe Gewinnmargen auszeichnet, ist das Elektrizitätssystem durch einen Kapitalstockumschlag gekennzeichnet „In Jahrzehnten gemessener Zinssatz, geringe Agilität und geringe, regulierte Gewinnmargen. Die erfolgreiche Verknüpfung dieser sehr unterschiedlichen Sektoren erfordert eine enge Zusammenarbeit.“

Seit der Veröffentlichung von Marstons Artikel wurde viel erreicht. Das Edison Electric Institute (EEI), ein Verband, der alle US-amerikanischen Elektrounternehmen im Besitz von Investoren vertritt, berichtet, dass Elektrizitätsunternehmen im letzten Jahrzehnt mehr als 1 Billion US-Dollar in kritische Energieinfrastruktur investiert haben. EEI behauptet, dass Elektrizitätsunternehmen allein im Jahr 2022 mehr als 154 Milliarden US-Dollar ausgegeben haben, um das Netz „stärker, intelligenter, sauberer, dynamischer und sicherer“ zu machen. Außerdem heißt es, dass Unternehmen im Jahr 2022 fast 30 Milliarden US-Dollar in „Anpassungs-, Härtungs- und Resilienz-Initiativen (AHR)“ investiert hätten, um die Übertragungs- und Verteilungsinfrastruktur des Landes zu stärken.

EEI erklärt, dass AHR mehr beinhaltet als nur die Fähigkeit, sich von extremen Wetterereignissen zu erholen. Dazu gehört auch „die Bewältigung dynamischer und potenziell schwerwiegender Risiken durch Antizipation, Widerstandsfähigkeit, Erholung von und/oder Anpassung an eine Vielzahl von Bedrohungen, darunter extreme Wetterbedingungen, Waldbrände, Erdbeben sowie Cyber- oder physische Sicherheitsangriffe.“

In Marstons Analyse unterteilte er Bedrohungen in „natürliche oder umweltbedingte Bedrohungen“ und „menschliche Bedrohungen“. Er schlug vor, dass viele der natürlichen oder umweltbedingten Bedrohungen, darunter Hurrikane/extreme Winde, Tornados, Dürre, Winterstürme/Eis/Schnee, extreme Hitze/Hitzewellen und Waldbrände, mit dem Klimawandel zunehmen würden. Unter den anderen Natur- oder Umweltbedrohungen, die er anführte, sagte Marston, dass Erdbeben in einigen Gebieten aufgrund lokaler Aktivitäten wie Fracking zunehmen könnten, er sah jedoch keinen Grund für eine Zunahme der Bedrohung durch geomagnetische Stürme oder Wildtiere und Vegetation. Marston prognostizierte, dass Cyberangriffe, elektromagnetische Sabotage und altersbedingte Geräteausfälle in der Zukunft hinsichtlich der Bedrohungen durch den Menschen zunehmen könnten, während er keine Grundlage für eine Änderung der Häufigkeit physischer Angriffe sah.

Die American Society of Civil Engineers (ASCE) veröffentlichte 2021 eine Report Card für Amerikas Infrastruktur. In ihrem Bericht bewertete die ASCE 17 Infrastrukturkategorien, darunter Energie, sowie Elemente wie Brücken, Dämme und Straßen, anhand einer A– Bewertungssystem im F-Schulstil. Die umfassende Bewertung der Energieinfrastruktur durch ASCE, die Übertragung und Verteilung sowie Pipeline-Investitionen umfasst, ergab damals die Note C–. Insbesondere war die Note eine Verbesserung im Vergleich zum vorherigen ASCE-Bericht aus dem Jahr 2017, als die Energieinfrastruktur die Note D+ erhielt.

„Die Energieversorger unternehmen proaktive Schritte, um das Stromnetz durch Resilienzmaßnahmen zu stärken. Allerdings bleibt das Wetter eine zunehmende Bedrohung“, heißt es im ASCE-Bericht. „[Verteilungsinfrastruktur] hat Probleme mit der Zuverlässigkeit, da 92 % aller Ausfälle entlang dieser Segmente auftreten. In den kommenden Jahren sind zusätzliche Übertragungs- und Verteilungsinfrastruktur, intelligente Planung und verbesserte Zuverlässigkeit erforderlich, um der sich verändernden Energielandschaft gerecht zu werden, da die Versorgung immer wichtiger wird.“ verteilte und erneuerbare Energien wachsen.“

„Das Netz von heute muss sich weiterentwickeln, um den Anforderungen von morgen gerecht zu werden. Glücklicherweise ist mit proaktiven Investitionen und sorgfältiger Planung tatsächlich ein zuverlässigeres, widerstandsfähigeres und robusteres Netz möglich, das erneuerbare Energiequellen einbezieht“, sagte Chandran von S&C Electric.

Chandran prognostiziert, dass sich das US-Stromverteilungssystem in den kommenden Jahren stark verändern wird. „Wenn wir in ein paar Jahren auf das Jahr 2023 zurückblicken, werden wir feststellen, dass sich die Nutzung des Verteilungsteils des Netzes dramatisch verändert hat. Es hat sich von einem einseitigen Stromflusssystem zu einem elektrischen System entwickelt, das genauso viel Strom speichert.“ „Wir müssen bei großen Wetterereignissen vernetzt sein, damit anschließend Reparaturen schneller und gezielter durchgeführt werden können. Da alle Verbraucher so viel stärker auf Strom angewiesen sind, ist diese Zuverlässigkeit und Belastbarkeit von entscheidender Bedeutung“, sagte er.

Chandran sagte, ein systemweiter Ansatz und Investitionen in innovative Technologie für die Stromverteilung seien notwendig, um die Anfälligkeit zu verringern. Zu den von ihm empfohlenen Lösungen gehörten die PulseClosing-Technologie (Abbildung 1), seitliche Automatisierung sowie die Erkennung und Wiederherstellung von unterirdischen Fehlern.

„Kunden wie Florida Power and Light (FPL), Oncor und viele andere haben stark in Technologien zur Absicherung des Netzes investiert und konnten dadurch eine deutliche Verkürzung der Sturmwiederherstellungszeiten verzeichnen“, sagte Chandran. „Diese Lösungen bieten eine hervorragende Segmentierung der ‚Einspeisung‘ vom Umspannwerk mit seitlicher Automatisierung – unterirdisch oder über Kopf bis zum Endkunden.“

Um den größtmöglichen Nutzen für ihr Geld zu erzielen, sollten Unternehmen mit begrenzten Budgets zunächst mit der Implementierung lateraler Automatisierungstechnologie beginnen. „92 % aller Stromunterbrechungen ereignen sich im Verteilungsteil des Netzes, und die meisten davon ereignen sich an Nebenleitungen – Nachbarschaftsleitungen –, die durch eine Sicherung geschützt sind“, erklärte Chandran. „Neuere Technologien werden diese Unterbrechungen erheblich reduzieren. Durch den Ersatz von Sicherungen durch Automatisierung können sie die Häufigkeit und Dauer von Ausfällen reduzieren. Ein Energieversorger im Süden verzeichnete an Standorten, an denen diese Technologie eingesetzt wurde, eine Reduzierung der anhaltenden Unterbrechungen um 74 %.“

Chandran sagte, FPL investiere seit Jahrzehnten stark in den Aufbau eines stärkeren, intelligenteren Netzes und sei davon überzeugt, dass die Vorteile die Kosten bei weitem übertroffen hätten. Obwohl kein Stromnetz hurrikansicher ist, haben detaillierte Bewertungen die Widerstandsfähigkeit des sturmfesten Energienetzes von FPL bestätigt. „Nach dem Hurrikan Ian im vergangenen Herbst stellte FPL nach nur einem ganzen Tag die Stromversorgung für zwei Drittel seiner Kunden wieder her“, sagte Chandran. „Nur acht Tage, nachdem der schwere Sturm den Staat verlassen hatte, konnte FPL im Wesentlichen die Stromversorgung aller seiner mehr als 2,1 Millionen von Ian betroffenen Kunden wiederherstellen.“

Im April veröffentlichte die WATT Coalition (Working for Advanced Transmission Technologies), ein Zusammenschluss von Unternehmen, die daran interessiert sind, Technologielösungen für das US-Stromübertragungssystem zur Verbesserung der Zuverlässigkeit und Effizienz einzuführen, ein 30-seitiges Papier der Brattle Group mit dem Titel „Building a Better Grid“. : Wie netzverbessernde Technologien den Übertragungsausbau ergänzen. Die Forschung berücksichtigte drei netzverbessernde Technologien (GETs): Dynamic Line Ratings (DLR), Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS) und Transmission Topology Control.

In der Arbeit wird erläutert, dass es sich bei DLR um eine repräsentative Anwendung handelt, die versucht, die Übertragungsfähigkeit einzelner Leitungen besser zu berücksichtigen. Mittlerweile sind FACTS – eine gängige Kategorie von Geräten auf Leistungselektronikbasis, die eine flexible und dynamische Steuerung von Übertragungssystemen ermöglichen – Beispiele für Hardwarelösungen, die sich auf die Steuerung des Flusses konzentrieren, und ähneln funktionell Phasenschiebertransformatoren, auch bekannt als Phasenschiebertransformatoren. Winkelregler. Schließlich ist Transmission Topology Control „eine elegante Software-Alternative zu dieser Flusskontrollhardware – sie steuert den Fluss durch Anpassen der Systemtopologie (z. B. durch Öffnen oder Schließen von Leistungsschaltern) und damit durch Ändern der Flussverteilung, die durch das Kirchhoffsche Gesetz definiert ist.“ operative Ziele erreichen.“

In dem Papier heißt es: „Diese Technologien stellen ein neues Modell für die Erweiterung der Netzinfrastruktur dar, indem sie zusätzliche Kapazitäten im bestehenden Übertragungssystem freisetzen, und können viel schneller und auf modulare Weise mit geringstem Aufwand zu einem kleinen Bruchteil der Kosten herkömmlicher Übertragungsprojekte entwickelt werden.“ . Darüber hinaus ergänzen sie den Übertragungsausbau, indem sie den Nutzen der Übertragungsinfrastruktur steigern, anstatt sie zu beseitigen oder zu ersetzen.“

Die Forschung quantifizierte, wie GETs die Kosten senken und die Planung und den Betrieb von Übertragungssystemen in allen Phasen der Übertragungsentwicklung verbessern. Die WATT-Koalition sagte, dass GETs die Staus um 40 % oder mehr reduzieren können, bevor Bauprojekte überhaupt beginnen. Während der Bauarbeiten könnten Ausfälle „vermieden oder verbessert werden, wobei die Staukosten in ähnlicher Weise um 40 % oder mehr gesenkt werden“, hieß es. Nach dem Bau kann die Auslastung neuer Leitungen dann um 16 % gesteigert werden, wodurch sich das Nutzen-Kosten-Verhältnis der neuen Leitungen verbessert.

„Unzureichende Übertragungskapazität ist das Haupthindernis für die Energiewende“, sagte Julia Selker, Geschäftsführerin der WATT Coalition, in einer Erklärung gegenüber POWER. „Netzverbessernde Technologien und neue Übertragungsleitungen müssen gemeinsam eingesetzt werden, um den notwendigen Systemausbau mit höchster Geschwindigkeit und niedrigsten Kosten zu erreichen. Je schneller und strategischer die USA in der Lage sind, die Übertragungskapazität zu erhöhen, desto geringer sind die Kosten für den Planeten und die Tarifzahler.“ ."

—Aaron Larson ist Chefredakteur von POWER.

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