Zeitschrift für Elektro-, Gebäude- und Sicherheitstechnik, Smart Home
EnergietechnikSmart
EnergietechnikSmart Grids:Präzises Timing für robuste EnergieinfrastrukturAutor:Rich KapustaVice PresidentSegment MarketingSiTimewww.sitime.comDer Wintersturm Uri traf im Februar2021 auf Texas und legte die Stromversorgungvon rund 4,5 Mio. Einwohnernlahm. Der Sturm forderte210 Todesopfer, und die finanziellenVerluste werden auf 80 bis 130 Mrd.US-$ geschätzt. Zahlreiche Ur sachensorgten für den Stromausfall, u.a.Ausfälle bei Stromerzeugern bis hinzu Störungen bei der Über tragungund Verteilung, darunter ein maximalerLastabwurf und die niedrigsteNetzfrequenz, die es je in diesemBundesstaat gab.Uri ist nur ein Beispiel, das die Bedeutungeiner widerstandsfähigen Energieinfrastrukturunterstreicht. Daextreme Wetterbedingungen immerhäufiger auftreten, ist die Kontinuitätder Stromversorgung bei extremenNetzbelastungen wichtiger denn je.Genaue Abstimmungensind wichtigHeutige Stromnetze sind komplex undnutzen einen breiten Mix aus Energiequellen,darunter Gas, Kohle, Kernenergie,Wind und Sonne. Hinzu kommteine immense Vielfalt an Technologien,die an der Energie erzeugung,-speicherung, übertragung und -verteilungbeteiligt sind. Diese und diesie durchlaufenden Datensignalemüssen genau aufeinander abgestimmtsein. Eine Schwachstelle inder Infrastruktur kann im Ernstfallden Stromzugang für Haushalte undUnternehmen unterbrechen.Um eine zuverlässige Stromversorgungzu gewährleisten, wirddas Stromnetz immer intelligenter(Smart Grid). Hochmoderne Sensoren,Rechenleistung, fortgeschrittenKommunikation etc. ermöglicheneffizientere und widerstandsfähigereStromnetze. In diesem Beitrag gehtes darum, wie Timing/Takt-ICs alskritische Komponenten eines intelligentenEnergienetzes dafür sorgen,dass Strom fließt.Warum das derzeitigeStromnetz anfällig istDas Stromnetz ist aufgrund der veraltetenInfrastruktur, des zentralisiertenAufbaus und der Unfähigkeit,den modernen Energiebedarfzu decken, anfällig. Viele Komponenten,die vor Jahrzehnten gebautwurden, sind veraltet und stör anfällig.Eine zentralisierte Struktur führt zueinzelnen Ausfallpunkten, an denenProbleme an wichtigen Knotenpunktenzu großflächigen Ausfällen führenkönnen. Externe Einflüsse wieextreme Wetterbedingungen undCyberangriffe auf veraltete Systemeerhöhen die Anfälligkeit. Zudem hatdas Netz Schwierigkeiten, erneuerbareEnergiequellen wie Solar- undWindenergie zu integrieren, wasseine Unfähigkeit unterstreicht, sichan den modernen Energie bedarfanzupassen.Die Nachfrage beeinflusst die Belastbarkeiteines Stromnetzes. Die Betreibermüssen die Netzfrequenz innerhalbeiner engen Toleranz halten (z.B.±0,05 Hz bei 60 Hz in Nordamerikabzw. 50 Hz in Europa). Das ElectricalReliability Council of Texas (ERCOT),die Organisation, die das texanischeStromnetz verwaltet, warnt davor,dass eine längere FrequenzabweichungWechselstromverbindungenunterbrechen und Geräte beschädigenkann. Tatsächlich führt einehohe Nachfrage, die das Angebotübersteigt, zu Frequenzeinbrüchen,die Kraftwerksabschaltungen oderStromausfälle erzwingen, während12 Haus und Elektronik 3/2025
Energietechnikeine niedrige Nachfrage bei hohemAngebot die Frequenz ansteigen lässtund Versorgungskürzungen/-unterbrechungenerforderlich macht. Aufgrunddieser Schwachstellen ist dasNetz für eine stärker elektrifizierteZukunft schlecht gerüstet.Im Fall von Uri war die Stromnachfrageaufgrund der eisigen Temperaturenerhöht. Die Frequenz desNetzes lag am 15. Februar 2021vier Minuten und 23 Sekunden langunter 59,4 Hz. „Das gesamte Systemstand kurz vor dem Zusammenbruch,was eine Neukonfiguration erforderthätte, die Tage, wenn nicht Wochen(oder sogar Monate) gedauert hätte.Eine Neukonfiguration würde einenschrittweisen Prozess erfordern, beidem einzelne Kraftwerke gestartetund das Netz dann schrittweise wiederaufgebaut werden müsste“, heißtes in der Studie „Cascading Risks:Understanding the 2021 Winter Blackoutin Texas“ in Energy Research &Social Science.Was ist ein Smart Grid?Ein intelligentes Versorgungsnetz(Smart Grid) ist ein fortgeschrittenEnergienetz, das moderne Kommunikations-und Automatisierungstechnikintegriert, um die Erzeugung,Verteilung und den Verbrauch vonStrom zu optimieren. Im Gegensatzzu herkömmlichen Netzen ermöglichtes eine 2-Wege Kommunikationzwischen Energie versorgern und -verbrauchern,was die Über wachungin Echtzeit, Bedarfs-Managementund Fehlererkennung ermöglicht.Smart Grids unterstützen die Integrationerneuerbarer Energien wieSonnen- und Windenergie, förderndie Nachhaltigkeit und verringerndie Abhängigkeit von fossilenBrennstoffen. Außerdem verbessernsie die Energieeffizienz, Zuverlässigkeitund Widerstandsfähigkeit,indem sie Ausfälle oder Ungleichgewichteschnell erkennen und beheben.Durch den Einsatz von Sensoren,Datenanalyse und Steuerungssystemenschaffen Smart Gridseine anpassungsfähigere und intelligentereEnergie infrastruktur, dieauf den sich wandelnden Energiebedarfzugeschnitten ist.Wie Timing-ICs intelligenteNetze unterstützenTiming/Takt-ICs sind in einem SmartGrid von entscheidender Bedeutung,da sie eine präzise Synchronisierungfür die Kommunikation, Datenverarbeitungund Steuerung im gesamtenNetz ermöglichen. Präzises Timingstellt sicher, dass sich verteilte (dezentrale)Energieressourcen wieSysteme für erneuerbare Energienund Energiespeicher nahtlos in denNetzbetrieb integrieren und koordinierenlassen. Es ermöglicht Echtzeitüberwachung,Fehlererkennungund Lastausgleich, was für das Aufrechterhaltender Netzstabilität und-effizienz unerlässlich ist. Darüberhinaus unterstützen Timing-ICs diesichere und zuverlässige Kommunikationzwischen elektronischenGeräten, verringern die Latenzzeitund minimieren Fehler im kritischenNetzbetrieb, was sie zu einer grundlegendenKomponente der Smart-Grid-Infrastruktur macht.SiTime bietet Präzisions-Timing-ICs für Anwendungen in Stromversorgungsnetzen:Super-TCXOsunterstützen die präzise Synchronisationder Datenübertragung,Frequenzstabilität sowie Fehlererkennungund -behebung.Timing-/Takt-ICssind unerlässlich für:• Netzdaten-Synchronisation: präziseSynchronisation der Datenübertragungim gesamten Netz ermöglichteine nahtlose Koordinationzwischen Energieerzeugung,-verteilung und -verbrauch• Frequenzstabilität: Eine präziseNetzfrequenz (50/60 Hz) gewährleistetStabilität auch bei Schwankungenvon Energieangebot und-nachfrage.• Fehlererkennung und -reaktion:Präzises Timing ist entscheidend,um Störungen innerhalb von Millisekundenzu erkennen und daraufzu reagieren. Dies verhindert, dasssich Ausfälle aus das gesamteNetz ausbreiten.• Integration erneuerbarer Energien:Timing-ICs helfen bei der Steuerungschwankender Leistung vonSolar- und Windenergie durch dieSynchronisierung von Stromspeichersystemenund Netzbetrieb.• Datenkommunikation in Echtzeit:Präzises Timing unterstützt dieÜberwachung und Steuerung inEchtzeit, so dass Versorgungsunternehmenschnelle und fundierteEntscheidungen treffen können.• Energieeffizienz: Timing-ICs ermöglicheneinen effizienten Lastausgleich,indem sie die Energielieferungan den Echtzeitbedarf anpassen,Verschwendung reduzierenund die Gesamtleistung des Netzesverbessern.• Energiespeicherung: Timing-ICsermöglichen eine präzise Synchronisationund Kommunikation inEnergiespeichersystemen, wasdie Leistungsfähigkeit, Effizienzund Integration in das Stromnetzoptimiert.• Cybersicherheit: Timing-ICs sindfür die Sicherung von Kommunikationsprotokollenund Datenintegritätin Smart Grids unerlässlich. ◄AUSSERGEWÖHNLICH.ENGAGIERT!JETZT SCHÜTZEN:WWF.DE/PROTECTORTORWERDEN SIE »GLOBAL 200 PROTECTOR« UNDBEWAHREN SIE DIE ARTENVIELFALT UNSERER ERDE.Von den Regenwäldern Afrikas über die Arktis bis zuunserem Wattenmeer – die „Global 200 Regionen“ bergendie biologisch wertvollsten Lebensräume der Erde.Helfen Sie dabei, sie zu erhalten!WWF Deutschland | Niloufar Ashour | Reinhardtstraße 18 | 10117 BerlinTelefon: 030 311 777-732 | E-Mail: info@wwf.deHaus und Elektronik 3/2025 13
