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Erneuerbare Energien wie Solarenergie oder Windkraft liefern Strom abhängig von Wetter und Tageszeit. Damit es dadurch nicht zu Über- oder Unterspannung kommt, braucht es ein Stromnetz, dass den Strom nach Bedarf verteilt und so für eine stabile Stromversorgung sorgt – ein Smart Grid. (Bild: petovarga)

„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.

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.

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Bei einem Smart Grid arbeitet neben dem konventionellen Stromnetz, noch ein Datennetz im Hintergrund, dass die Stromverteilung steuert. (Bild: monicaodo @ AdobeStock)

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.

Kurz erklärt: Wie ein Smart Grid funktioniert

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.

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Auf die leitungsgebundene Technik kann nicht verzichtet werden, denn sie bildet auch das Rückgrat des Smart Grid. (Bild: Texas Instruments)

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.

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.

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.

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Von einer intelligenten Fahrzeugladestation verwaltete Ende-zu-Ende-V2G-Kommunikation. (Bild: Digi-Key)

Sonderfall: E-Autos in intelligenten Energienetzen

Elektrofahrzeuge nehmen im Smart Grid eine Sonderstellung ein, denn sie sind nicht nur Verbraucher, sondern können auch als Zwischenspeicher fungieren. Dieses Konzept heißt Vehicle-2-Grid (V2G). Dabei sollen die Batterien in der Elektromobilität mittels Smart Charging Energie speichern und bei Lastspitzen diese mittels Rückspeisung an das Smart Grid abgeben.

Je größer die Anzahl der täglich genutzten Elektrofahrzeuge wird, desto höher fällt auch die Belastung des Stromnetzes aus, wenn diese Fahrzeuge an die Ladesteckdose gehen. Mit einer intelligenten Verwaltung des Ladens könnten PHEVs und BEVs auf der anderen Seite Programme unterstützen, die auf die Nachfrage aktiv reagieren, um übermäßige Spitzenlasten zu vermeiden, und sogar als Speicher für überschüssige erneuerbare Energie zum Einsatz kommen.

Um diese Art von Funktionen und Diensten zu ermöglichen, ist eine komplexere Kommunikation zwischen Fahrzeug und EVSE erforderlich. Die Arbeitsgruppe ISO/IEC 15118 hat Spezifikationen für die Kommunikation vom Fahrzeug zum Netz unter Verwendung von Power-Line-Kommunikationsstandards (PLC) während des Ladens über ein Kabel entwickelt. Insbesondere wurde die Breitband-PLC-Spezifikation IEEE P1901.2 Homeplug Green PHY (HPGP) als das beste Protokoll für eine robuste Kommunikation bei hohem Datendurchsatz ausgewählt. Durch die Nutzung von Frequenzen zwischen 2 MHz und 30 MHz ermöglicht HPGP dem System die Unterscheidung zwischen gültigen Daten einer angeschlossenen Pilotleitung und Rauschen aus anderen in der Nähe befindlichen Quellen.

Nach Beginn des Ladevorgangs wird eine Kommunikation hergestellt, über die das Fahrzeug und der Ladepunkt Informationen wie Steuer- und Konfigurationsdaten, Zugangsberechtigungen, Zeitstempel, Tarifinformationen, Kunden-IDs und -Standorte sowie Zählerablesungen austauschen können.

Im Themen-Channel E-Mobility finden Sie alles Wichtige zu Batterien, Laden und Reichweite im Elektro-Auto.

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.

Der Autor: Martin Probst

Martin Probst
(Bild: Hüthig)

Zunächst mit einer Ausbildung zum Bankkaufmann in eine ganz andere Richtung gestartet, fand Martin Probst aber doch noch zum Fachjournalismus. Aus dem Motto „Irgendwas mit Medien“ entwickelte sich nach ein wenigen Praxiserfahrungen während des Medienmanagement-Studiums schnell das Ziel in den Journalismus einzusteigen. Gepaart mit einer Affinität zu Internet und Internetkultur sowie einem Faible für Technik und Elektronik war der Schritt in den Fachjournalismus – sowohl Online als auch Print – ein leichter. Neben der Elektronik auch an Wirtschafts- und Finanzthemen sowie dem Zusammenspiel derer interessiert – manche Sachen wird man glücklicherweise nicht so einfach los. Ansonsten ist an ihn noch ein kleiner Geek verloren gegangen, denn alles was irgendwie mit Gaming, PCs, eSports, Comics, (Science)-Fiction etc. zu tun hat, ist bei ihm gut aufgehoben.

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