Smart Grids – Alles Wichtige zum Stromnetz der Zukunft

„Die nächste Generation darf nicht Geisel der Energiequellen des vergangenen Jahrhunderts sein“, mahnte der ehemalige US-Präsident Barack Obama 2010 nach der Ölkatastrophe im Golf von Mexiko. Seitdem stieg der Stellenwert der Energiepolitik weltweit an und viele Länder setzten sich klimafreundliche Ziele bei der Energieversorgung, um das Klimaziel von 2 °C zu erreichen. Deutschland etwa will bis 2045 Treibhausgasneutralität erreichen und damit nicht mehr auf fossile Brennstoffe zur Energiegewinnung zurückgreifen. Um die Lücke in der Stromversorgung auszugleichen, braucht es grüne Alternativen. Eine andere Möglichkeit wäre es, den Stromnutzen sowie das Stromnetz zu optimieren, um so den Gesamtverbrauch zu senken und die vorhandenen Ressourcen intelligent zu nutzen. Hier kommen intelligente Stromnetze bzw. das Smart Grid ins Spiel.

Um was es sich dabei handelt, welche Ziele ein Smart Grid hat, was es braucht und noch viel mehr, erklären wir im folgenden Artikel.

Was ist ein Smart Grid?

Ein Smart Grid nutzt verschiedene Technologien und gesammelte Daten, um so die Erzeugung, Verteilung und Speicherung von Energie zu koordinieren. Sämtliche Akteure – Erzeuger, Abnehmer, Netzbetreiber – kommunizieren untereinander und treten miteinander in den Austausch.

Es nutzt verschiedene digitale Technologien sowie Echtzeitkommunikation, um den Stromfluss effizienter, zuverlässiger und sicherer zu gestalten. Das bedeutet, dass Smart Grids den Strombedarf und -verbrauch automatisch steuern und auf wechselnde Bedingungen wie Spitzenlasten oder Störungen reagieren können.

Gerade bei erneuerbaren Energien, deren Erzeugung fluktuieren kann, ist eine zentrale, datengetriebene Steuerung wichtig, um so Stromschwankungen im Netz auszugleichen. Für ein intelligentes Stromnetz entsteht neben dem normalen Stromnetz noch ein Datennetz, das auf Informations- und Kommunikations-Technologie zurückgreift.

Welche Ziele und Aufgaben hat das Smart Grid noch?

Da die bestehenden Stromnetze oftmals schon mehrere Jahre alt sind und nicht mehr unbedingt dem aktuellen Stand der Technik entsprechen, sollen Smart Grids eine Weiterentwicklung der bestehenden Netze ermöglichen. Weiterhin sollen sie dafür sorgen, dass Qualität, Verlässlichkeit und Sicherheit des bereits bestehenden Netzes eingehalten oder gar verbessert werden.

Gerade im Hinblick auf Energiewende und Nachhaltigkeit ist die optimale Nutzung von erneuerbaren Energien sowie die Koordination dezentraler Erzeuger eine weitere Aufgabe des intelligenten Stromnetzes. Außerdem soll die Entwicklung bzw. die Integration eines Smart Grids Innovationen und Services bzw. Dienstleistungen hervorbringen.

Ein intelligentes Stromverteilnetz sollte in der Lage sein, Störungen möglichst selbstständig zu reparieren, außerdem sollte es Skalierbarkeit und Interoperabilität zwischen Netzeinrichtungen und Endgeräten ermöglichen. Ein solches Netz stellt Elektrizität zur Verfügung, und zwar im Idealfall aus möglichst vielen erneuerbaren Quellen sowie mit einem bidirektionalen Energiefluss. Ein Smart Grid zielt darauf ab, die Herausforderungen der traditionellen Netze zu überwinden und die Voraussetzungen für Überwachung, Auswertung, Steuerung und Kommunikation zu schaffen.

Smart Grids sind wichtig, weil sie dazu beitragen können, die Energieeffizienz zu steigern, den Einsatz erneuerbarer Energien zu erhöhen und das Stromnetz stabiler zu machen. Die wachsende Anzahl von dezentralen Energiequellen wie Solar- und Windkraftanlagen, Elektrofahrzeuge und Stromspeicher können durch Smart Grids besser in das Netz integriert werden.

Wie funktioniert ein Smart Grid?

Durch die Energiewende und die Nutzung erneuerbarer Energie wie Wind oder Solar kommt es zu einer Vielzahl dezentraler Erzeugungseinheiten, die nur kleine Mengen Strom erzeugen. Erzeugter Strom, den der Hersteller nicht selbst verbraucht, wird dann in das Stromnetz eingespeist. Diese kleinen Erzeugereinheiten werden anschließend in mehreren virtuellen Kraftwerken zusammengefasst, um dann an der Strombörse gehandelt zu werden.

Welche Rolle spielen Smart Grids bei der Energiewende?

Smart Grids können dazu beitragen, die Nutzung erneuerbarer Energien zu erhöhen und die Energieeffizienz zu verbessern. Sie können etwa den Anteil erneuerbarer Energien erhöhen, indem sie einen höheren Anteil erneuerbarer Energien wie Wind- und Solarenergie im Stromnetz ermöglichen und somit eine bessere Integration dieser Energiequellen unterstützen.

Weiterhin können Smart Grids die Energieeffizienz steigern, indem sie den Energieverbrauch optimieren und den Einsatz von Energieeffizienzmaßnahmen fördern. Durch die Nutzung von Echtzeitdaten können Energieversorger und Verbraucher den Energiebedarf genau steuern und gezielte Maßnahmen zur Energieeinsparung ergreifen.

Smart Grids können ebenso dazu beitragen, das Stromnetz flexibler zu machen und besser an die schwankende Stromnachfrage anzupassen. Durch den Einsatz intelligenter Stromzähler und Echtzeitdaten können Energieversorger und Verbraucher Stromnachfrage und -produktion besser aufeinander abstimmen und so das Stromnetz stabilisieren.

Welche Technologien nutzt ein Smart Grid?

Für den Aufbau eines Smart Grids sind verschiedene Technologien nötig, jedoch zählen Kommunikationslösungen, drahtlos oder auch kabelgebunden, sowie Sensor- und Messtechnik zu den wichtigsten Elementen. Die heutigen großen Netze wurden mit Methoden zusammengefügt, die sich auf regionaler Ebene bewährt haben. Mit dem Ausbau der Städte ging auch eine Expansion der Netzinfrastruktur einher, um Energieerzeuger und -verbraucher miteinander zu verbinden. Zunächst sorgten RS-232- und RS-485-Stecker für die Kommunikation, allerdings löste das Ethernet und die damit verbundene Erhöhung der Bandbreite in vielen Bereichen die Stecker ab. Während drahtlose Lösungen auf Störungsüberwachungs-Anlagen im Übertragungs- und Verteilbereich beschränkt blieben, hat der Umstieg auf die stromsparende drahtlose Anlagenüberwachung im Verteilnetz gerade erst begonnen.

Netzausrüstungen und Überwachungseinrichtungen waren für eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren ausgelegt. Die althergebrachte Verkabelung ermöglicht aber nach wie vor zuverlässige Verbindungen, wenn Anlagen miteinander kommunizieren müssen. Obwohl drahtlose Technologien kostengünstiger zu integrieren wären, ergibt der Austausch einer kompletten Netzinfrastruktur, die zwar bereits Jahrzehnte alt ist, aber nach wie vor ihren Dienst tut, aus finanzieller Sicht keinen Sinn. Ganz abgesehen davon kommt bei allen drahtlosen Übertragungstechnologien unweigerlich das Thema Security, also der Schutz vor unbefugten Zugriffen, ins Spiel. Auch wenn es zu einer Ablösung durch neuere Funk-Technologien kommen sollte, müssen die Nachfolgelösungen dennoch mit Equipment kommunizieren, das um einige Jahrzehnte älter ist.

Eine Schlüsselrolle im Smart Grid nehmen intelligente Messysteme ein, Smart Meter. Sie stellen eine Verbindung zwischen Verbraucher und Energieversorgungsunternehmen her und messen unter anderem den Stromverbrauch. So erhält der Verbraucher genaue Auskunft zu seinem Stromverbrauch, während der Netzbetreiber wichtige Informationen über die Vorort-Situation erhält, wodurch er die Netze steuern und optimieren kann.

Welche Sensoren und Messtechnik brauchen intelligente Stromnetze?

Innerhalb eines Smart Grids müssen eine Vielzahl von Parametern überwacht werden, die je nach Energiequelle noch variieren können. Spannungen und Ströme zählen zu den wichtigsten Werten. So können Stromversorger die Netzbelastung abschätzen, was aber durch die vielen lokalen, dezentralen Stromerzeuger zunehmend schwieriger wird. Energieversorger brauchen aber genaue Daten, die sie von Messeinrichtungen an Verteilpunkten erhalten, um die Netzspannung stabil zu halten.

Um die Lastflussdynamik zu erfassen sind weiterhin Stromsensoren nötig. Dafür eignen sich vor allem Stromsensoren, die auf dem Hall-Effekt oder dem magnetoresistiven Effekt basieren.

Ein weiterer wichtiger Aspekt, den es zu beachten gilt ist die Temperatur, die in Verteil- und Übertragungseinrichtungen herrscht. Bei Überlandleitungen etwa variiert die Strombelastbarkeit mit der Temperatur.

Je nach Art der Stromerzeugung kommen noch andere Sensoren hinzu. In Windkraft setzen die Betreiber oftmals auf Condition Monitoring, um das Verhalten der Windräder permanent zu überwachen, wodurch sie Materialermüdung in Form von Verformung oder Vibration bereits früh erkennen können. Ebenso setzen Betreiber von Photovoltaik-Anlangen auf eine permanente Überwachung der Leistung. Produziert die Anlage nicht die erwartete Leistung, so muss auf Spurensuche gegangen werden: Liegt es am Wetter, schmutzigen Photovoltaik-Modulen oder defekter Hardware?

Biogasanlagen greifen auf verschiedene Sensoren zurück. Neben Gassensoren zur Erfassung unterschiedlicher Gase, müssen auch Temperatur, Druck, pH-Wert und viele weitere Parameter permanent kontrolliert werden. Anhand dieser Daten können entsprechende Aktoren die verschiedenen Werte aufeinander abstimmen. Nur so können diese Anlagen effizient arbeiten.

Generell sind die Anforderungen an die Mess- und Sensorsysteme hoch im Bezug auf Zuverlässigkeit, Genauigkeit, Langzeitstabilität und Wartungsbedarf. Allgemein müssen Möglichkeiten für Selbstidentifizierung, Eigendiagnose und Selbstkalibrierung vorgesehen sein.

Wie werden Daten in Smart Grids gesichert?

Die Sicherheit von Daten in Smart Grids ist ein wichtiger Aspekt, da die Daten über die Stromversorgung und den Energieverbrauch vertraulich und geschützt werden müssen. So werden intelligente Stromnetze gesichert:

• Verschlüsselung: Die Daten in Smart Grids werden oft durch Verschlüsselung geschützt, um die Vertraulichkeit der Daten zu gewährleisten. Die Daten werden verschlüsselt, bevor sie über das Netzwerk übertragen werden.
• Zugangskontrolle: Der Zugang zu den Daten in Smart Grids wird streng kontrolliert, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Personen auf die Daten zugreifen können. Die Zugangskontrolle kann durch Passwörter, biometrische Merkmale oder andere Sicherheitsmaßnahmen erfolgen.
• Integritätsschutz: Smart Grids setzen auch Maßnahmen zum Schutz der Datenintegrität ein, um sicherzustellen, dass die Daten nicht manipuliert oder verändert werden. Durch die Verwendung von digitalen Signaturen oder Hash-Funktionen können Daten auf ihre Integrität überprüft werden.

Welche Vorteile hat ein intelligentes Stromnetz?

Ein intelligentes Stromnetz macht es uns erst möglich, erneuerbare Energie zu nutzen. Konventionelle Stromnetze erhalten Strom von einem zentralisierten Kraftwerk und übertragen diesen dann an Haushalte und Unternehmen. Diese Netze sind aber nicht dafür ausgelegt, Strom von kleinen dezentralen Erzeugern wie Solarzellen oder Windrädern zu beziehen. Smart Grids können den Strom von diesen Erzeugern integrieren. Entscheidend ist, dass das intelligente Stromnetz in Verbindung mit drahtlos aktivierten intelligenten Zählern nachverfolgen kann, wie viel Energie eine netto-positive Einrichtung erzeugt und sie entsprechend vergütet. Ein Smart Grid bietet Verbrauchern eine Vielzahl von Vorteilen, darunter eine verbesserte Energieeffizienz, geringere Energiekosten und eine höhere Stromversorgungssicherheit. Durch die Integration von intelligenten Zählern und anderen Smart-Grid-Technologien können Verbraucher ihren Stromverbrauch besser überwachen und steuern.

Mittels Smart Meter lassen sich über drahtlose IoT-Geräte (Internet of Things) große Datenmengen sammeln, die Versorgungsunternehmen verwenden können, um besser einschätzen zu können, wann es zu hoher Stromnachfrage kommt und wo die Nachfrage am höchsten ist. Außerdem erhalten Verbraucher eine effizientere Abrechnung

Smart Grids können auch dafür sorgen, dass Stromnetze widerstandsfähiger werden. Sie können etwa die Stromversorgung automatisch umleiten, sobald ein Stromausfall auftritt. Die Auswirkungen auf Haushalte und Unternehmen halten sich so gering. Außerdem können Sensoren über den Zustand der Anlagen berichten, wodurch bereits vor einem Ausfall Reparaturen durchgeführt werden können.

Weiterhin bieten sie:

• Erhöhte Energieeffizienz: Smart Grids ermöglichen es, Energie effizienter zu nutzen und den Energieverbrauch zu optimieren, indem sie Verbraucher und Erzeuger miteinander verbinden. Durch die Verwendung von Echtzeitdaten können Energieversorger und Verbraucher den Energiebedarf genau steuern.
• Erhöhte Zuverlässigkeit: Smart Grids können dazu beitragen, die Stabilität des Stromnetzes zu verbessern, indem sie eine schnellere und präzisere Überwachung und Steuerung des Stromnetzes ermöglichen. Dies kann zu einer Reduzierung von Stromausfällen und anderen Störungen führen.
• Erhöhte Integration von erneuerbaren Energien: Smart Grids ermöglichen eine bessere Integration von erneuerbaren Energiequellen wie Wind- und Solarenergie. Durch die Verwendung von Echtzeitdaten können Energieversorger den Strombedarf und die Stromproduktion besser abstimmen.

Aber auch Verbraucher profitieren von der Implementierung:

• Mehr Transparenz und Kontrolle: Smart Grids bieten den Verbrauchern mehr Transparenz und Kontrolle über ihren Energieverbrauch. Durch den Einsatz von intelligenten Zählern und Echtzeitdaten können Verbraucher ihren Energieverbrauch besser verstehen und optimieren.
• Kosteneinsparungen: Smart Grids können Verbrauchern helfen, Kosten zu sparen, indem sie ihren Energieverbrauch optimieren und die Nutzung erneuerbarer Energien fördern. Durch die Nutzung von Echtzeitdaten können Verbraucher ihre Stromkosten senken, indem sie ihren Energieverbrauch zu Spitzenlastzeiten reduzieren.
• Förderung erneuerbarer Energien: Intelligente Stromnetze können Verbraucher bei der Nutzung erneuerbarer Energien wie Solar- und Windenergie unterstützen. Durch den Einsatz von intelligenten Zählern und Echtzeitdaten können die Verbraucher den Strombedarf und die Stromerzeugung besser aufeinander abstimmen und so die Nutzung erneuerbarer Energien fördern.

Wie wird die Implementierung von Smart Grids gefördert?

Die Implementierung von Smart Grids wird von Regierungen und Energieversorgungsunternehmen weltweit gefördert. Dazu gehören Förderprogramme und Anreize, um den Ausbau von Smart-Grid-Technologien zu unterstützen, sowie Forschungs- und Entwicklungsprogramme zur Verbesserung der Technologie.

Regierungen und Energieversorgungsunternehmen fördern die Implementierung von Smart Grids.

Es gibt Förderprogramme und Anreize, um den Ausbau von Smart-Grid-Technologien zu unterstützen.

Forschungs- und Entwicklungsprogramme werden durchgeführt, um die Technologie zu verbessern.

Smart Grids spielen eine wichtige Rolle bei der Modernisierung des Stromnetzes und können dazu beitragen, die Energieeffizienz zu steigern, den Einsatz erneuerbarer Energien zu erhöhen und das Stromnetz stabiler zu machen. Die Umsetzung von Smart Grids stellt jedoch auch eine Reihe von Herausforderungen dar, die berücksichtigt werden müssen. Regierungen und Energieversorgungsunternehmen weltweit arbeiten daran, die Implementierung von Smart Grids zu fördern und die Technologie weiterzuentwickeln.

Herausforderungen bei der Einführung eines Smart Grids

Die Einführung von Smart Grids bringt auch Herausforderungen mit sich. Smart Grids erfordern die Sammlung und Übertragung von großen Datenmengen, die vertraulich und sicher behandelt werden müssen. Die Sicherheit der Daten muss gewährleistet werden, um einen Missbrauch der Daten zu verhindern (Datenschutz und Datensicherheit).
Die Interoperabilität der einzelnen Stromnetze, Systeme und Geräte stellt eine weitere Herausforderung dar. Smart Grids setzen eine Vielzahl von Technologien und Systemen ein, die oft nicht miteinander kompatibel sind. Um die Interoperabilität sicherzustellen, braucht es gemeinsame Standards und Protokolle.
Auch die Finanzierung kann zur Herausforderung werden, denn die Einführung von Smart Grids erfordert beträchtliche Investitionen in Infrastruktur und Technologie. Gerade für kleine und mittelständische Unternehmen kann das problematisch sein.
Insgesamt bieten Smart Grids viele Vorteile, aber auch Herausforderungen bei ihrer Einführung. Durch die Überwindung dieser Herausforderungen können Smart Grids jedoch dazu beitragen, eine zuverlässige, effiziente und nachhaltige Stromversorgung zu gewährleisten.

Intelligente Energiespeicherung im Smart Grid

Ein entscheidender Faktor von Smart Grids sind die Energiespeicher. Da erneuerbare Energien ein zentraler Aspekt der Energiewende sind, kommen intelligente Stromnetze nicht ohne Speicher aus. Erneuerbare Energien wie Windkraft oder Solarenergie produzieren Strom abhängig vom Wetter und damit unregelmäßig. Ein Stromnetz braucht aber eine konstante Spannung. Energiespeicher wie Heimspeicher, Batteriebanken, Kondensatorbanken und Akkus von Elektrofahrzeugen können sowohl Über- als auch Unterspannung im Smart Grid ausgleichen.