Mit Smart Grids zu mehr Energieeffizienz

Smart Grids vernetzen dezentrale Energieerzeugung effizient mit Stromspeichern und den jeweiligen Endverbrauchern. (Foto: Fotolia, © malp)
Smart Grids vernetzen dezentrale Energieerzeugung effizient mit Stromspeichern und den jeweiligen Endverbrauchern. (Foto: Fotolia, ©malp)
04.04.2018

Um die Energiewende voranzutreiben ist es nicht nur notwendig, die alternative Energieversorgung auszubauen, auch die dazugehörige Infrastruktur muss entsprechend angepasst werden. Dies birgt zudem weiteres Potential, Energie möglichst effizient zu verteilen und zu nutzen. Intelligente Stromnetze spielen dabei eine zentrale Rolle.

Die sogenannten Smart Grids bieten zahlreiche Möglichkeiten sowohl im groß- wie im kleinmaßstäblichen Bereich, die Energieversorgung sinnvoll und ressourcenschonend zu gestalten. Von der Erzeugung über die Speicherung, Verteilung und Verbrauchssteuerung können dabei Abläufe optimaler organisiert werden.

Herausforderung Dezentralisierung

Statt der bisher üblichen zentralen Energieerzeugung in wenigen leistungsfähigen Kraftwerken setzt die Energiewende auf den Ausbau einer Vielzahl an dezentralen Energieerzeugern. Von Bioenergie-, Windkraft-, oder Solar- und Photovoltaikanlagen in den unterschiedlichsten Dimensionen gilt es dabei, die erzeugte Energie möglichst effizient nutzen zu können.

Je mehr Quellen es dabei gibt, umso komplexer sind die Herausforderungen, den Strom sinnvoll zu speichern oder weiterzuleiten und zu verteilen. Eine der größten Schwierigkeiten dabei ist es, den schwankenden Verbrauch und die Erzeugung der jeweils benötigten Energie in Einklang zu bringen.

Diese Flexibilisierung legt bereits fest, welche Eigenschaften ein intelligentes Stromnetz aufweisen muss, um als leistungsfähiges Werkzeug den Energiemarkt steuern zu können:

  • Detaillierte Evaluierung des Strombedarfs durch intelligente Sensoren
  • Optimale Vernetzung der einzelnen Erzeuger
  • Effiziente Nutzung vorhandener Speicherkapazitäten
  • Optimale Verteilung der erzeugten Energie mit minimalen Verlusten und gleichbleibender
  • Effizienter Ausgleich von Schwankungen bei Erzeugung und Nachfrage

Der Aufbau eines Smart Grids

Beim ersten Punkt können intelligente Messsysteme (iMSys) wie etwa smarte Stromzähler umfangreiche Informationen zum Strombedarf für die einzelnen Verbrauchsstellen liefern. Auf Grundlage dieser Daten können Kapazitäten für die Zukunft besser geplant und gesteuert werden.

Für einen umfassenden Umbau der Infrastruktur ist es dazu notwendig, so viele Verbrauchsstellen wie möglich auf diese Weise erfassen zu können – von großen Verbrauchern in der Industrie bis hin zum Privathaushalt. Bei letzterem sind solche Stromzähler seit 2010 bei einer Sanierung oder einem Neubau vorgeschrieben. Sie machen deutlich, wann wieviel Strom verbraucht wird und sorgen hier für eine größere Transparenz. Darüber hinaus bieten sich weitere Möglichkeiten für private Bauherren, ihre Immobilie energieeffizienter auszustatten. Die Smart Grid Technologie lässt sich hier auch im kleinmaßstäblichen Bereich umsetzen und ermöglicht es Verbrauchskosten zu senken.

Neben der Infrastruktur zur Weiterleitung der Energie werden Datennetzwerke immer wichtiger, um die Ressourcen effizient zu verteilen. (Foto: Unsplash, ©Fré Sonneveld)

Im Prinzip können für die weiteren Punkte wie Vernetzung und Verteilung die unterschiedlichsten Kommunikationsnetze genutzt werden. Neben der physikalischen Weiterleitung der Energie ist der Austausch von Daten zwischen den einzelnen verbundenen Komponenten der wichtigste Punkt. Je nachdem, welche einzelnen Elemente miteinander vernetzt werden, eignen sich unterschiedliche Netzwerke. Die PLC‑Technologie (Breitband-Powerline) wurde dabei bei einigen Pilotprojekten für die Datenübertragung in Nieder- und Mittelspannungsnetzen eingesetzt. Eine mögliche Alternative stellen darüber hinaus verschiedene Mobil- oder Breitbandverbindungen dar (LTE450, DSL, VDSL). Innerhalb eines Energiesystems können weitere Technologien wie Ethernet oder ZigBee eingesetzt werden.

Zur intelligenten und flexiblen Energiespeicherung werden derzeit verschiedene Technologien getestet. Jede Energieform bringt dabei andere Anforderungen mit sich. Bei den Testprojekten werden ebenfalls umfangreiche Daten gesammelt, die als Grundlage zur optimalen Gestaltung künftiger Anlagen genutzt werden können.

Zur Umsetzung wurde von der Smart Grid Coordination Group der EU das sogenannte Smart Grid Architecture Model (SGAM) entwickelt. Das Modell beschreibt den strukturellen Aufbau des Smart Grids anhand von fünf Schichten:

  • Komponentenschicht: In diesem Punkt sind sämtliche beteiligte Komponenten zusammengefasst wie etwa die notwendige Hardware oder auch die Elemente der Energieerzeugung (z.B. Generatoren, Kabelnetzwerke, Computerinfrastruktur).
  • Kommunikationsschicht: Diese Ebene beinhaltet Standards und Schemata zum Informationsaustausch zwischen den einzelnen Komponenten (z.B. Übertragungsstandards, Interoperabilitätsgrundlagen, Datenmodelle).
  • Informationsschicht: In dieser Ebene sind die verschiedenen Möglichkeiten des Datenaustauschs zwischen den einzelnen Komponenten beschrieben.
  • Funktionsschicht: Hier sind die verschiedensten Dienste und Services zu den einzelnen Abläufen und Prozessen zusammengefasst (z.B. zur Energieerzeugung, ‑speicherung oder ‑verteilung).
  • Businessschicht: Diese Ebene wirft einen Blick auf die marktwirtschaftlichen Aspekte des Smart Grids und beschreibt etwa Verbrauchswerte, verschiedene Angebotsstrukturen oder Möglichkeiten zur Preisgestaltung.

Herausforderung Sicherheit

Sämtliche Versorgungsinfrastruktur im Rahmen der Energieerzeugung und -verteilung zählt zu den kritischen Infrastrukturen, die einen besonderen Schutz benötigen.  Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik hat hierzu spezielle Mindestanforderungen im IT-Sicherheitsgesetz und in Zusammenarbeit mit der Initiative UP KRITIS entwickelt.

Hohe, einheitliche Standards sollen die Sicherheit der Smart Grid Infrastruktur gewährleisten. (Foto: Fotolia, ©Gorodenkoff)

Die Sicherheit der Smart Grid Infrastruktur muss dabei sowohl in Bezug auf Datenschutz als auch im Rahmen des Schutzes vor Ausfall oder einem Angriff von außen gewährleistet werden können. Bei ersterem gilt es, die verbraucherorientierte Steuerung der Energie so zu organisieren, dass gleichzeitig geltende Datenschutzrichtlinien gewahrt werden.

Um dies sowohl bei der Datenerfassung durch die iMSys als auch bei der Kommunikationsinfrastruktur des Energiemanagements sicherzustellen, ist es notwendig, gemeinsame Standards und System-Architekturen zu entwickeln. 

Herausforderung strategische Zusammenarbeit

Die Smart Grid Technologie bietet die große Möglichkeit, dass auch kleinere Energieproduzenten sich am gesamten System beteiligen können. Auf diese Weise kann die dezentral gewonnene Energie effizient genutzt werden. Durch eine systemkonforme Vernetzung lassen sich dann auch Kleinstmengen sinnvoll speichern oder weiterleiten. Zudem ermöglicht die detaillierte Erfassung der Verbrauchswerte künftig eine differenziertere Preisgestaltung.

Um Engpässe oder Überproduktionen zu vermeiden kann ein weit verzweigtes Netzwerk sinnvoll sein, das die verschiedensten Erzeuger mit den einzelnen Verbrauchsstellen verbindet. Diese Microgrids können in der Lage sein, das bisherige zentrale Netz zu ersetzen und durch strategische Kooperationen nicht nur eine ausreichende Stabilität gewährleisten, sondern die vorhandene Energie auch effektiver zu nutzen.

Wichtig ist hierbei ebenfalls, dass auf sämtlichen Ebenen die notwendigen Sicherheitsstandards eingehalten werden können. Vom Ausbau einer sicheren und leistungsfähigen Smart Grid Infrastruktur hängt es deshalb ab, die Energieversorgung für die Zukunft auf ein neues Level bringen zu können.

Frank Pelzer

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