Smart Grid – Das intelligente Stromnetz

Smart Grid – Das intelligente Stromnetz

„Smart Grid“ oder auch im deutschen intelligentes Stromnetz bezeichnet ein Stromnetzmanagement was die Erzeugung, Speicherung und Nutzung von Erneuerbaren Energien aufeinander abstimmt, um somit Leistungsschwankungen im Netz auszugleichen.

Vorweg geschickt sei bei der Erklärung des Smart Grids, dass derzeit Energieübertragungsnetze immer auf die maximale Belastung ausgelegt sind. Im Prinzip ist dies bei gleichmäßiger Energieerzeugung wie durch Kohle- oder Atomkraftwerke gut zu berechnen und es kommt – sehr vereinfacht dargestellt –  nicht zu Überlastungen. Dies ändert sich aber mit einem zunehmenden Anteil von dezentralen Energieerzeugern, die noch dazu nicht immer gleich viel elektrische Energie in das Netz einspeisen. So können etwa bei entsprechender Wetterlage plötzlich Windkraftanlagen deutlich mehr einspeisen oder alle Photovoltaikanlagen einer Region produzieren mehr Solarstrom. Für die Netzbetreiber folgen daraus zwei zentrale Probleme:

Problem schwankende Einspeisung

Das erste Problem betrifft den Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch. Im Netz beginnt durch die vom Wetter abhängigen Erneuerbaren nach dem Verbrauch jetzt auch die Produktion von Strom teilweise heftig zu schwanken. Die Aufgabe, Produktion und Verbrauch immer im Gleichgewicht zu halten, wird dadurch ungemein schwerer. Genau so wenig wie die Stromabnehmer dem Netzbetreiber ihren Verbrauch anzeigen, zeigen die Erneuerbaren Anlagen ihm ihre Produktion an. Die Netzbetreiber sind für das, was in ihrem Netz passiert, weitgehend blind. Technik, die den Netzbetreibern ein schlüssiges Bild der Netzzustände vermittelt, fehlt in den meisten Netzen bislang.

Um diesem Problem zu begegnen, müssten die vielfältigen Akteure des Stromnetzes anfangen miteinander zu kommunizieren. Ein solches Stromnetz, in dem die Akteure sich untereinander austauschen. In einem "intelligenten Stromnetz" besteht neben dem Netz zur Übertragung von Strom auch ein Netzwerk zur Übertragung von Informationen. Smart Grids existieren bislang fast ausschließlich in der Theorie. Sie sind aber der zentrale Schlüssel für die Infrastruktur der Energiewende. Nur durch Kommunikation kann es langfristig gelingen die schwankende Produktion und den schwankenden Verbrauch hinreichend in Einklang zu bringen. Je mehr dezentrale Einspeiser es aus Erneuerbaren Energien gibt, desto weniger kann ein zentraler Akteur wie der Netzbetreiber alle Teilnehmer des Netzes koordinieren. In einem ersten Schritt kann mehr Kommunikation mit dem Netzbetreiber diesem die Möglichkeit geben, seine Netzzustände besser zu erfassen. In einem zweiten Schritt sollen zukünftig Anreize für Stromverbraucher entstehen Strom immer dann zu verbrauchen, wenn besonders viel Strom aus Erneuerbaren Energien im Netz ist.

Problem Lastflussumkehr

Die Verteilnetze, an welche die Solar- und Windkraftanlagen angeschlossen werden, sind nie dafür ausgelegt worden, im größeren Stil Strom aufzunehmen. Sie sollten immer nur Strom in eine Richtung aus den Hochspannungsnetzen zu den Verbrauchern transportieren. In Gebieten mit vielen Erneuerbaren Anlagen kann sich aber schon heute der Stromfluss umdrehen. Die dezentralen Anlagen produzieren mehr Strom als lokal benötigt wird und der drängt nach oben in die Hochspannungsnetze. Dabei kann jede Leitung nur eine bestimmte Menge Strom übertragen. Wird diese überschritten, wird die Leitung zu heiß und brennt im schlimmsten Fall durch. Um dies zu vermeiden muss der Netzbetreiber den entsprechenden Netzabschnitt abschalten, es droht ebenfalls der Blackout.

Für das zweite Problem der überlasteten Leitungen gibt es bereits heute eine Lösung. Viele Überlastungssituationen lassen sich durch Netzausbau beheben. Hierbei werden sehr vereinfacht gesprochen neue oder deutlich stärkere Leitungen verlegt und robustere Betriebsmittel verbaut. Dies ist jedoch extrem aufwendig und sehr teuer. Die halbstaatliche Energie-Effizienz Agentur dena schätzt, dass bis 2030 auf 135.000 bis 193.000 km die deutschen Verteilnetze auf 21.000 bis 24.500 km aus- und umgebaut werden müssen. Dies entspricht etwa der halben Strecke von der Erde zum Mond. Die Kosten hierfür werden auf 27,5 bis 42,5 Milliarden Euro geschätzt. Diese Kosten, die alle Bürger über die Netzentgelte zahlen, können deutlich geringer ausfallen, wenn die Akteure des Netzes sich besser abstimmen würden. Wenn etwa Windanlagen an den windigsten Tagen des Jahres gedrosselt würden, oder Strom zunächst lokal verbraucht werden könnte. Dies durch den Einsatz von Informationstechnologien zu koordinieren, wird ebenfalls Aufgabe des Smart Grid.

Wie funktioniert ein Smart Grid?

Schon jetzt wird die schwankende Nachfrage nach Strom (und auch das Angebot) ständig gesteuert und ausgeglichen. Um diese mit den Erneuerbaren Energien noch komplexere Aufgabe zu ermöglichen, muss in einem intelligenten Stromnetz die Datenkommunikation in beiden Richtungen möglich sein. Die Vernetzung erfolgt dabei durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien sowie dezentral organisierter Energiemanagementsysteme zur Koordination der einzelnen Komponenten. Das bedeutet, dass in einem Smart Grid nicht nur Energie sondern auch Daten transportiert werden, sodass Netzbetreiber in kurzen Abständen Informationen zur Energieproduktion und -verbrauch erhalten. Ein Smart Grid stellt also die Kommunikation aller Energieerzeuger, aller Energiespeicher und aller Energieverbraucher miteinander sicher. Auf der Seite der Verbraucher sind dafür sogenannte Smart Meter (intelligente Stromzähler) notwendig, die schon jetzt in Neubauten verpflichtend eingebaut werden müssen. Aber das geht noch nicht weit genug: Die elektrischen Verbraucher (also zum Beispiel Wasch- oder Spülmaschine) müssen selbst „smart“ werden. Dann schaltet sich die Waschmaschine zum Beispiel automatisch ein, wenn gerade ein Überangebot an Strom vorhanden ist (und dieser vom Versorger besonders preiswert zur Verfügung gestellt wird).

Bisher hatten die Netzbetreiber weder Kontrolle noch Kenntnis, wann und wo eine dezentrale Erzeugungsanlage Strom ins Netz einspeist. Wird der Anteil solcher „unkoordinierten“ Erzeuger zu hoch, steigt das Risiko von instabilen Netzzuständen. Durch intelligente Vernetzung, Lastmanagement und Nachfrageflexibilisierung kann somit eine effiziente Nutzung und Integration der Erneuerbaren Energien sowie eine Optimierung der Netzauslastung erreicht werden.

Marting Böttner, Echolong: Smart Grids verändern Stromnetze nachhaltig

„Smart Grids werden die Stromnetze hinsichtlich Qualität und Effizienz sowie Administrierbarkeit durch den Energieerzeuger nachhaltig verändern. Die enorme Herausforderung an Smart Grids liegt allerdings in der Einbindung vorhandener Geräte, Gebäude und Anlagen sowie der Zukunftssicherheit und Skalierbarkeit dieser Netze. Bereits heute existieren Lösungen, mit denen sich jeder Betreiber und Hersteller elektronischer Geräte oder Gebäude auf einfache Art und Weise in ein Micro Smart Grid einbinden kann. Dabei verstehen wir unter Micro Smart Grid das intelligente Stromnetz in der Nachbarschaft. Unsere Plattform ermöglicht beispielsweise den Zugriff über Apps, die auf dem Mobiltelefon hinterlegt sind.

Das Smart Grid stellt ein enormes Wachstumspotenzial für Unternehmen dar. Ähnlich dem Internet oder den Apps für das iPhone können sich neue Dienstleistungen etablieren und Mehrwerte geschaffen werden. Ein höchst interessantes Beispiel ist das Energie-Benchmarking, bei dem die Energieeffizienz von Liegenschaften verglichen wird. Derzeit werden in großem Maßstab Energie-Monitoring-Lösungen evaluiert. Diese bilden den ersten Schritt hin zu mehr Transparenz beim Energieverbrauch und zum Energie-Benchmarking.

McDonalds hat beispielsweise bereits alle Lieferanten von Küchengeräten angewiesen, ihre Produkte auf Basis unserer Technik kommunikationsfähig zu machen, um damit die Grundlage für die Integration in das Smart Grid und Demand-Response-Konzepte zu schaffen.“

Quellen: Umweltbundesamt, photovoltaik.org, computerwoche, bitkom.

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