Elektronik stärkt Netze im Umbruch

Sicherheit und Konnektivität virtueller Kraftwerke stärken

Stromnetze waren in der Vergangenheit an zentralen Großkraftwerken orientiert. Mit zunehmender Versorgung aus erneuerbaren Energiequellen ändert sich dies hin zu dezentralen Stromnetzen. Neueste Hard- und Software sorgt in virtuellen Kraftwerken dafür, dass die Netze sicher sind und nicht überlasten.

Mark Patrick Mark Patrick

2. Januar 2026 - 10:00

5 min

Virtuelle Kraftwerke fassen eine Reihe von dezentralen Netzressourcen in einer einzigen Verwaltungseinheit zusammen.

petovarga – stock.adobe.com

Im Jahr 1935 wurde in Großbritannien eines der ersten zusammenhängenden nationalen Stromnetze der Welt eingerichtet. Hierbei handelte es sich um ein Verbundsystem, das große, zentrale Kraftwerke und regionale Stromnetze im ganzen Land miteinander verband, um ein durchgängiges Netz zu schaffen, das besser in der Lage war, den wachsenden Energiebedarf zu decken [1]. Dieses Modell einer groß angelegten, planbaren Stromerzeugung aus zentralen Kohle-, Gas- und später Kernkraftwerken bildete während des gesamten 20. Jahrhunderts die Grundlage für eine zuverlässige Stromverteilung.

In den letzten Jahrzehnten arbeiten netzgebundene Stromerzeuger jedoch zunehmend nachhaltig, womit dezentrale Energiequellen (Decentralized Energy Resources, DERs) wie Photovoltaik (PV)- und Windkraftanlagen in den Vordergrund rücken. Die neue, verteilte Netzstruktur stellt die Netzbetreiber jedoch vor einige Herausforderungen. Diese wollen sie mithilfe virtueller Kraftwerke (Virtual Power Plants, VPPs) bewältigen, die mit den erneuerbaren Energiequellen verbunden sind. Eine bedeutende Rolle bei der Technologie kommt dabei der Elektronik-Community, also Entwicklern, Herstellern und Distributoren von Elektronik-Bauteilen zu.

Virtuelle Kraftwerke steuern Energieflüsse

Kleine Wind- und Solarkraftwerke sorgen zwar dafür, dass viele Haushalte und Unternehmen energieunabhängig und nachhaltig agieren, sie stellen die Stromnetze jedoch vor neue Herausforderungen. Weil immer mehr Strom aus häufig schwankenden erneuerbaren Quellen stammt, ist das traditionelle Modell der zentralen Stromnetze nicht mehr anwendbar. Heute braucht es anpassungsfähige Strategien zum Steuern der Energie, um das Angebot kontinuierlich an die Nachfrage anzupassen.

In virtuellen Kraftwerken fasst man zahlreiche dezentrale Energiequellen zu einer zusammenhängenden, digital gesteuerten Plattform zusammen. Zu DERs zählen beispielsweise PV-Anlagen auf Dächern, On- und Offshore-Windparks, Batteriespeichersysteme (Battery Energy Storage Systems, BESS) sowie Elektrofahrzeuge mit bidirektionalen Ladegeräten (Onboard Charger, OBC). Je nach Wetterverhältnissen und lokalen Verbrauchsmustern tragen sie zu einer variablen Energieversorgung oder -nachfrage bei.

Technologischer Fortschritt und Energieverbrauch durch KI

Künstliche Intelligenz gilt als Motor des Fortschritts – aber auch als Stromfresser. Zwischen Rechenzentren und Edge-Anwendungen entscheidet der Wirkungsgrad der Technik über Zukunftsfähigkeit, Kosten und globale Nachhaltigkeitsziele.

Durch den Einsatz moderner Technologien wie künstlicher Intelligenz (KI) und miteinander verbundener Geräte im IoT können virtuelle Kraftwerke den Betrieb der einzelnen dezentralen Energiequellen aufeinander abstimmen. So stellen sie sicher, dass die kombinierte Leistung beziehungsweise der Energiebedarf besser vorhersehbar ist und mit der aktuellen Leistung des Netzes übereinstimmt. Netzbetreiber können so Angebot und -nachfrage in Echtzeit steuern. Virtuelle Kraftwerke verbessern den Ausgleich der Netzlast sowie die Reaktion auf die Energienachfrage, sind widerstandsfähiger und reduzieren die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zum Decken von Lastspitzen.

Bild 1: Ein zu Hause angeschlossenes Elektrofahrzeug lässt sich in ein virtuelles Kraftwerk einbinden und kann so als zuverlässiges und großes Batteriespeichersystem fungieren.

Spitzen im Netz dynamisch ausgleichen

Ein virtuelles Kraftwerk fungiert im Prinzip wie ein Puffer: es steuert die Ausgangsleistung der erneuerbaren Energien, nimmt Energie in Echtzeit auf und verteilt sie entsprechend, damit die Versorgung stabil bleibt. So lassen sich die für erneuerbare Energien typischen Schwankungen ausgleichen. Zudem verringert das koordinierte Steuern der Energie das Risiko von Stromausfällen, insbesondere in Zeiten geringer Leistung oder hoher Netzlast.

Um in Großbritannien den Energiebedarf auszugleichen und die Netzinstabilitäten zu verringern, hat Octopus Energy ein virtuelles Kraftwerk entwickelt, das Elektrofahrzeuge miteinander verbindet. Es umfasst dabei eine Leistung von 100 MW intelligent gemanagter Elektrofahrzeuge. Ist viel kostengünstige Energie aus erneuerbaren Quellen vorhanden, lädt das System die Fahrzeuge automatisch auf und gleicht so Angebot und Nachfrage aus [2].

Dieses System setzt zwar lediglich bei der Nachfrage an, jedoch hat Octopus Energy einen intelligenten Vehicle-to-Grid-Tarif (V2G) für kompatible Elektrofahrzeuge mit bidirektionalen Onboard Chargern etabliert, um die Netzversorgung zu verbessern [3]. Mit dem System können ausgewählte Fahrzeuge bei Nachfragespitzen Strom in das Netz zurückspeisen und so das lokale Stromnetz stabilisieren.

In Großbritannien gehen rund sechs Prozent des Stroms beim Verteilen verloren [4], davon 1,7 Prozent beim Übertragen über weite Strecken [5]. Der Netzbetreiber National Grid möchte die Netzverluste verringern, indem er Strom dezentral – also näher am Verbrauchsort – erzeugt [6]. Mit dieser Strategie unterstreicht National Grid die Not, die Netze „intelligenter“ zu gestalten, zum Beispiel durch Plattformen für den Peer-to-Peer-Energiehandel, einem Kernelement virtueller Kraftwerke [7].

Der Weg zu einem gerechteren Energiemarkt

In Zeiten, in denen die Energienachfrage das verfügbare Angebot übersteigt, müssen die Netzbetreiber in konventionellen Stromnetzen häufig zusätzliche, in der Regel wenig nachhaltige und schnell hochzufahrende Energiequellen wie Gaskraftwerke aktivieren. Alternativ können virtuelle Kraftwerke auf die Nachfrage reagieren, indem sie vorübergehend den nicht unbedingt nötigen Verbrauch reduzieren, gespeicherte Energie aus Batteriespeichern entladen oder Lasten auf Zeiten außerhalb der Spitzenlast verlagern.

Sicherheit vor Datenverlust bei Stromausfällen und Spannungsschwankungen

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In Westaustralien kam es in den letzten Jahren vermehrt zu Stromausfällen, insbesondere in Zeiten mit außergewöhnlichen Sommertagen mit sehr hohen Temperaturen und erhöhter Nachfrage aufgrund von Klimaanlagen. So hatte der australische Energiemarktbetreiber AEMO im Hauptstromnetz des Landes ein Defizit von 326 MW ermittelt [8]. Als Reaktion auf das Defizit hat Plico, ein Unternehmen für umweltfreundliche Produkte im Energiesektor, 2.500 Haus-Batterien zu einem virtuellen Kraftwerk kombiniert, das einer einzigen 27-MWh-Batterie entspricht [9]. Im Dezember 2024 lief das System zweimal, um die hohe Sommernachfrage zu bewältigen und Stromausfälle und -instabilitäten abzuwenden. Zuvor war das System bereits im Sommer 2023/24 13 Mal erfolgreich im Einsatz.

Bild 2: Hochspannungsleitungen können Strom über große Entfernungen transportieren, sie verursachen jedoch beträchtliche Energieverluste.

Zusätzlich zu den betrieblichen Verbesserungen können virtuelle Kraftwerke zu einem gerechteren Energiesystem beitragen, indem sie einen offenen Peer-to-Peer-Energiehandel ermöglichen. Mit diesem dezentralen Ansatz können einzelne Energieerzeuger überschüssige Energie direkt an die Verbraucher verkaufen. Hiermit umgeht man traditionelle Zwischenhändler und fördert einen wettbewerbsfähigen und widerstandsfähigen Energiemarkt. Zusammengenommen führen die von virtuellen Kraftwerken ermöglichten Fortschritte zu einem nationalen Netz, das nicht nur stabil und effizient ist, sondern ebenso schnell auf die sich entwickelnden Anforderungen einer nachhaltigen Energiezukunft reagiert.

Management-System mit zuverlässiger Konnektivität

Virtuelle Kraftwerke werden von einem zentralen System gesteuert, das die Energieressourcen verteilt, als „Distributed Energy Resource Management System“ (DERMS) bezeichnet. Es optimiert das Erfassen und Steuern von Daten und liefert Echtzeit-Informationen über Energieerzeugung und -verbrauch sowie Umweltfaktoren. Dabei arbeitet ein DERMS mithilfe von KI-Methoden, speziell maschinellem Lernen (ML) und ermöglicht kurzfristige Vorhersagen und ein schnelles Anpassen an Stromschwankungen.

Jedoch hängt der Betrieb eines DERMS nicht nur von der Software ab, sondern ebenfalls von der nahtlosen Integration robuster Edge- und IoT-Hardware wie intelligente Umrichter, Mikrocontroller und Sensoren. Sie müssen sicher mit einem virtuellen Kraftwerk kommunizieren, um Zustände zurückzumelden und Vorgänge zu steuern. Dabei nutzen dezentrale Energiequellen sowohl Kabel- als auch Funkverbindungen. Für kurze Strecken wird oft Ethernet eingesetzt, da es zuverlässig und günstig ist – besonders Single Pair Ethernet (10BASE-T1S) gewinnt an Beliebtheit. Für die schnelle Datenübertragung zur Cloud wird meist Wi-Fi genutzt. Bluetooth Low Energy und Zigbee eignen sich dagegen für energiearme Kurzstrecken, etwa zum Einbinden von Sensoren und zur Echtzeit-Überwachung.

Langstreckentechnologien wie LoRaWAN und NB-IoT erweitern die Abdeckung in entlegenen Gebieten und ergänzen 5G-Mobilfunknetze, sodass eine Kommunikation mit hoher Kapazität und geringer Latenz über große Bereiche hinweg möglich ist. Mit der Kombination verschiedener Kommunikationstechnologien treiben Entwickler die Digitalisierung und Intelligenz der Stromnetze voran und ermöglichen so die nahtlose Integration von intelligenten Stromzählern, Solarumrichtern und Batteriespeichersystemen, auch außerhalb zuverlässiger lokaler Drahtlosnetzwerke.

Sichere Kommunikation in virtuellen Kraftwerken

Da virtuelle Kraftwerke immer mehr zu einem kritischen Teil der Energieinfrastruktur eines Landes werden, sind robuste Applikationen für die Hardware-Sicherheit entscheidend. Um die Integrität und Vertraulichkeit von Daten in Tausenden miteinander vernetzten Geräten und Anlagen zu schützen, können Entwickler innerhalb der virtuellen Kraftwerke eine Reihe von Sicherheitsmaßnahmen einsetzen.

Sichere Features wie Hardware-Sicherheitsmodule, physikalisch nicht klonbare Funktionen sowie vertrauenswürdige Plattform-Module (Trusted Platform Modules, TPM) bieten beispielsweise hardwarebasiertes Verschlüsseln und Sicherheit auf dem Chip. Sie schützen sensible Informationen vor Manipulationen und unbefugtem Zugriff. Entwickler können zum Beispiel auf die „Optiga“ TPM Security Solutions von Infineon Technologies, die bei Mouser Electronics erhältlich sind, zurückgreifen. Dabei handelt es sich um Sicherheits-Controller, die moderne Kryptografie nutzen, um die Integrität und Authentizität von Embedded-Netzwerk-Bauteilen und -Systemen zu schützen.

Dezentralisierung der Stromnetze: Technik im Umbruch

Erneuerbare Energien führen zu einer zunehmenden Dezentralisierung der Stromnetze. Neue Technologien in Photovoltaik, Windkraft, Speicherlösungen und Elektronik verändern Netzstrukturen und eröffnen neue Potenziale für Industrie und Gebäude.

Die Module lassen sich problemlos in Geräte wie Smart Meter, Umrichter, Solarpanels und Netz-Gateways integrieren. Sie verfügen über Sicherheitszertifikate gemäß der Trusted Computing Group (TCG), Common Criteria (EAL4+) und des Federal-Information-Processing-Standards (FIPS). Hiermit sorgen die Bauteile für eine sichere Kommunikation zwischen der Cloud und den Endgeräten. So können Datenverletzungen verhindert und die Sicherheit von virtuellen Kraftwerken erhöht werden.

Bild 3: Die „Optiga“ Trusted-Platform-Module von Infineon unterstützen die neuesten kryptografischen Algorithmen und bieten eine einfache Systemintegration.

Entwickler können zudem Sicherheitsfunktionen nutzen, die in den neuesten Mikrocontrollern (MCUs) und System-on-Chips (SoCs) integriert sind. Das betrifft zum Beispiel sicheres Booten, Laufzeit-Integritätsprüfungen und Verschlüsselung auf Hardware-Ebene, um die Edge-Geräte eines virtuellen Kraftwerks weiter zu sichern. Gemeinsam bilden die Applikationen eine mehrschichtige Verteidigung, die softwarebasierte Protokolle ergänzt und gewährleistet, dass die Kommunikation zwischen Edge-Geräten und dem zentralen DERMS des Kraftwerks sicher bleibt.

Zentrale Rolle für virtuelle Kraftwerke

Virtuellen Kraftwerken kommt in Zukunft eine zentrale Rolle im Energiemanagement zu. Mit fortschrittlichen digitalen Technologien können sie die Netze stabiler, effizienter und widerstandfähiger gestalten. Mit dem Bündeln verschiedener dezentraler Energiequellen und der Integration robuster Kommunikations- und Sicherheitssysteme ebnen sie den Weg für eine nachhaltige, CO2-arme Energiezukunft. (ts)