Die Energiewelt wird Smart

Bei der Umsetzung der Energiestrategie 2050 muss sich insbesondere die Elektrizitätsversorgung neuen, grossen Herausforderungen stellen. Der Umbau der Energielandschaft von der zentralen auf die dezentrale Produktion verlangt von den Verteilnetzen aller Netzebenen grosse Flexibilität. Dank der Digitalisierung stehen heute geeignete technische Möglichkeiten zur Verfügung, um die Stromnetze intelligenter und flexibler zu machen. Neben den technologischen müssen auch organisatorische Fragestellungen angepackt werden, um die heutige Versorgungssicherheit langfristig aufrechterhalten zu können. Auf der Basis dieser neuen Möglichkeiten werden zukünftig lokale, regionale und nationale Regelinstanzen eng miteinander kooperieren.

Im Zentrum steht das Smart Grid

Oft wird mit Smart Grid die Gesamtheit der zu erwartenden Veränderungen von Elektrizitätsnetzen bezeichnet. Dazu gehören zusätzliche Sensoren zur Erfassung des Netzzustandes und zusätzliche Steuerelemente zur Steuerung und Regelung der Energieflüsse im Netz. Die Sensoren und Steuerelemente sind mit einer Kommunikationsinfrastruktur und meist mit einer Steuerlogik (Kontrollzentrum) verbunden. Das intelligente Zusammenspiel all dieser Infrastrukturelemente soll den optimalen und effizienten Umgang mit komplexen Situationen in Elektrizitätsnetzen ermöglichen.

Der Begriff Smart Grid wird oft noch breiter verwendet. In einem Elektrizitätsnetz muss jederzeit die zugeführte und abgeführte Energie gleich sein, damit die Versorgungsqualität gewährleistet ist. Um dies weiterhin sicherstellen zu können, muss das Zusammenspiel von Stromproduktion, Stromverbrauch und Stromspeicherung intelligenter werden. Verschiedene Ideen sind vorhanden. So könnte der Stromverbrauch an die vorhandene Stromproduktion angepasst werden, entweder mit festen Steuersignalen (so wie heute beispielsweise Elektroboiler mit Rundsteuersignalen zu- und abgeschaltet werden) oder alternativ mit Hilfe einer flexibleren Tarifstruktur (um Anreize zu schaffen, damit steuerbare Verbraucher zu- oder abgeschaltet werden). Die dezentrale Stromproduktion selber könnte lokale Netzzustände berücksichtigen und bei einem Stromüberangebot die Produktionsmenge reduzieren. Zudem ist denkbar, dass Stromspeicher zum Ausgleich von Produktion und Verbrauch Energie zwischenspeichern und wieder ins Netz abgeben können. Batteriespeicher von Elektromobilen könnten für eine Kombination dieser Funktionen genutzt werden.

Bild 1 Smart Grid

Anbindung dezentraler Stromproduktion

Bisher wird der Strom meist zentral mit grossen Kraftwerken produziert, welche auf hohen Spannungsebenen in die Stromnetze einspeisen. Der Strom wird über weite Strecken transportiert und im Laufe der geografischen Verteilung schrittweise auf die Niederspannung (230/400V) herunter transformiert.

Die Energiewende bringt in Ergänzung zu zentralen Kraftwerken vermehrt dezentrale Stromeinspeisung mit sich. Diese Einspeisung kann sowohl von stochastischer Natur (Photovoltaik, Windkraft), als auch von kontinuierlicher Natur (Blockheizkraftwerk, Kleinwasserkraftwerke) sein. Verstärkte dezentrale Einspeisung erfordert die Anpassung der Elektrizitätsnetze, insbesondere der Niederspannungsnetze, die ursprünglich ausschliesslich für die Ausspeisung von Energie konzipiert wurden. Die Anpassungen reichen von konventionellen Netzverstärkungen (erhöhte Übertragungskapazität auf Leitungen und Transformatoren) bis zu intelligenter Steuerung der Verteilnetze. Die konventionellen Methoden sind in der Regel teuer und in ihrer Dynamik eingeschränkt. Durch den Einsatz intelligenter Steuerungen verspricht man sich tiefere Kosten und mehr Flexibilität, um auf die kontinuierlichen Veränderungen reagieren zu können.

Energie effizienten nutzen

Um die Herausforderungen der Energiewende bewältigen zu können, soll der Stromverbrauch reduziert und die Energieeffizienz erhöht werden. Der Verbraucher muss aktiv werden. Dazu braucht es effizientere beziehungsweise stromsparendere Endgeräte. Eine intelligente Steuerung im Haushalt (Smart Home) kann zusätzlich unterstützen. Damit der Verbraucher überhaupt aktiv werden kann, braucht er Informationen über seinen Stromverbrauch.

Ein Schlüsselelement für die Transparenz beim Stromverbrauch sind die sogenannten Smart Meter. Diese messen nicht nur die verbrauchten Energiemengen zu den Hoch- und Niedertarifzeiten sondern zeichnen mindestens alle 15 Minuten einen Verbrauchs- oder Einspeisewert auf. Die aufgezeichneten Energieflussdaten lassen sich im Tagesverlauf visualisieren und ergeben so ein detailliertes Nutzungsprofil der individuellen Haushalte. Es liegt auf der Hand, dass diese Daten besonders schützenswert sind.

Unter dem Begriff Smart Home werden viele Anwendungen zusammengefasst, die sich in einem modernen Haushalt automatisiert steuern, regeln und bedienen lassen. Neben der Energieeffizienz kommen auch Sicherheits- und Bedienaspekte zum Tragen. Smart Home Systeme lassen sich schrittweise aufbauen und erweitern. Es können beispielsweise Lichtsteuerung, Heizsysteme oder Photovoltaikanlagen mit hausinternen Batteriespeichern in einer einheitlichen graphischen Oberfläche zusammengeführt werden. Eine einfache Bedienung wird Apps auf Smartphones und Tablets oder gar mit einer Sprachsteuerung sichergestellt. Ein Smart Home System bildet enen eigenen autonomen Regelbereiche, den es mit geeigneten Anreizen in ein umfassendes Smart Grid zu integrieren gilt.

Bild 2 Smarthome

Informationen visuell darstellen

Im Kontrollzentrum des Smart Grid Systems kommen sehr viele Daten zusammen. Die grosse Herausforderung besteht darin, diese Daten in Echtzeit zusammenzuführen und die notwendigen Handlungsoptionen abzuleiten. Bevor diese Prozesse teilweise oder vollständig automatisiert werden können, braucht das System manuelle Hilfe bei der Entscheidungsfindung. Dazu ist es notwendig, dass der Systemzustand in geeigneter Weise visuell dargestellt werden kann. Für die Netzbetreiber ist es sehr hilfreich, wenn diese Darstellungen einen Bezug zur geographischen Ausdehnung des Elektrizitätsnetzes haben. Bereits heute werden die physikalischen Daten des Elektrizitätsnetzes in sogenannten GIS-Systemen (Geographische Informations Systeme) abgebildet und über Web-Oberflächen darstellt. Auch diese Systeme gilt es in die Smart Grid Umgebung zu integrieren.

Bild 3 Netzauszug Suhr

Über den Tellerrand schauen

Smart Grid bleibt mittel- bis langfristig nicht nur auf die Elektrizitätswirtschaft beschränkt. Unter dem Begriff Sektorkopplung sind Bestrebungen im Gang, die verschiedenen Energiesysteme wie Elektrizität, Gaswirtschaft und Wärme enger miteinander zu verbinden und kooperieren zu lassen. Dies schafft ganz neue Möglichkeiten, um die Unterschiede zwischen Energieproduktion und Energieverbrauch über längere Zeiträume (Wochen und Monate) aufeinander abzustimmen. In dieser Thematik stehen wir noch am Anfang, dürften in Zukunft jedoch noch viel davon hören.

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