Intelligente Stromnetze „Smart Grids“ – Die Welt der Energie verändert sich
Mit dem technologischen Fortschritt steigt der Bedarf an elektrischer Energie immens an, was nicht nur die Erzeugung, sondern auch die Verteilung zu einer Herausforderung macht. Diese steigende Nachfrage erhöht und verändert die Komplexität der Stromnetze, da die Anforderungen an Zuverlässigkeit, Effizienz, Sicherheit sowie Umwelt- und Energieverträglichkeit steigen. Diese Umstände erfordern ein intelligentes Netz, das heute als „Smart Grid“ bekannt ist. Dabei handelt es sich um eine Technik, bei der intelligente Funktionen implementiert werden, um das Stromverteilungssystem effizienter, zuverlässiger und nachhaltiger zu machen. In diesem Artikel wird ein Überblick über „Smart Grids“ mit seinen Merkmalen und Anwendungsszenarien gegeben. Lesen Sie hier, warum Smart Grids immer wichtiger werden und welche Lösungen bereits auf dem Markt vorhanden sind.
Die Internationale Energieagentur (IEA) mit Hauptsitz in Paris nennt die Netzintegration als eine der vier größten Herausforderungen beim Ausbau der Kapazitäten für erneuerbare Energien, neben den nicht-technischen Herausforderungen Finanzierung, Genehmigungen und soziale Akzeptanz.
Bis 2026 könnten die erneuerbaren Energien um 60 % schneller wachsen als in den vergangenen fünf Jahren, da die Technik zur Nutzung von Wind- und Solarenergie bereits ausgereift ist und sich 137 Länder verpflichtet haben, ihre Stromerzeugung unter Einsatz fossiler Energieträger auf Null zu reduzieren.
Doch damit aus den Zusagen Realität wird, brauchen wir intelligente Stromnetze, damit diese Energieerzeugung und vor allem die Energieverteilung einwandfrei funktionieren können.
Intelligente Netze erfüllen vier wichtige Aufgaben für die Energiewende: Sie erhöhen die Widerstandsfähigkeit des Netzes, steigern die Integration erneuerbarer Energien, senken die Kosten und ermöglichen den allgemeinen Zugang zu sauberer Elektrizität.
Was intelligente Stromnetze (Smart Grids) so besonders macht
Der stetig steigende Energiebedarf sollte nicht mehr bzw. nur noch in politischen Ausnahmesituationen durch den Bau weiterer Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen arbeiten, gedeckt werden, da diese die Umwelt verschmutzen und zur globalen Erwärmung beitragen. Daher werden stattdessen bevorzugt erneuerbare Energien genutzt – allerdings handelt es sich dabei um verteilte, volatile Ressourcen, die innerhalb einer intelligenten Netzinfrastruktur verwaltet werden müssen, damit ständig eine stetige Energieversorgung gewährleistet werden kann.
Intelligente Netze ermöglichen es, Echtzeitdaten von Leitungssensoren, Verbrauchern und Erzeugern zu sammeln und an einen zentralen Kontrollpunkt zu übertragen, der Analyse- und Kontrollfunktionen ausführen kann. Dies ermöglicht den Ausgleich der Stromlast, die Wiederherstellung nach Ausfällen und das Verteilungsmanagement.
Grenzen des traditionellen Netzes
Im Gegensatz zu Generatoren für erneuerbare Energien, deren Leistung wesentlich von den vorherrschenden Wetterbedingungen abhängt, liefern herkömmliche, mit fossilen Brennstoffen betriebene Kraftwerke prognostizierbar stetig Energie. Sie stoßen aber an die Barriere der Umweltverträglichkeit und sollten demnach, wo und wann immer möglich, vom Netz genommen werden.
In der Zwischenzeit steigt die Nachfrage nach Elektrizität stetig an, da wir z.B. unser Privat- und Arbeitsleben zunehmend online gestalten und immer mehr Elektrofahrzeuge nutzen. Ohne technologische Fortschritte wären wir also mit einem schrumpfenden Bestand an fossilen Kraftwerken konfrontiert, die eine unaufhörlich steigende Stromnachfrage bedienen müssten.
Diese Belastung hätte zu einer zunehmenden Häufigkeit von Stromanomalien und Stromausfällen in alternden Netzen geführt, die nur begrenzt in der Lage sind, Störungen zu erkennen und in Echtzeit darauf zu reagieren.
Glücklicherweise gibt es inzwischen neue Technologien, die eingesetzt werden, um diese Probleme zu lösen. Diese Technologien und insbesondere die Art und Weise, wie sie miteinander arbeiten, können unter dem Oberbegriff „Smart Grid“ zusammengefasst werden.
[infobox headline=“Das Wichtigste in Kürze“]
- Stromnetze werden komplexer, da die Anforderungen an Zuverlässigkeit, Effizienz, Sicherheit sowie Umwelt- und Energieverträglichkeit stetig steigen
- Die Technik, die hinter Intelligenten Netzen (Smart Grids) steckt, macht das Stromverteilungssystem effizienter, zuverlässiger und nachhaltiger
- Intelligente Netze ermöglichen einen Ausgleich der Stromlast, die Wiederherstellung nach Ausfällen und optimieren das Verteilungsmanagement
- Mit Smart Grids und erneuerbaren Energieträgern können die Stromverbraucher vom reinen Konsum zum “Prosumerismus“ übergehen
- Intelligente Stromzähler: Bis 2032 müssen alle Stromverbraucher in Deutschland mindestens über einen digitalen Zähler ohne Gateway verfügen
- Halbleiter: Durch den Einsatz moderner Leistungselektronik könnte mehr als ein Viertel der elektrischen Energie eingespart werden
- Intelligenten Stromnetze könnten in Zukunft auch das Problem der Ladestationen für Elektrofahrzeuge lösen
- Sobald die Technologie vollständig und auch in der Fläche installiert ist, steigt das Potential, dass Energiekosten erheblich sinken und die Datenkontrolle in Echtzeit sowie das Aufladen in großem Maßstab leichter werden kann
- Hive Power bietet innovative Lösungen für Smart Grids
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Smart Grid Technologien und Interaktionen
Erneuerbare Energien haben den Vorteil, dass sie sauber sind und immer weniger kosten. Neben dem bereits angesprochenen Nachteil der Volatilität muss allerdings auch die Herausforderung gemeistert werden, dass Anlagen wie z.B. Windparks eher weit verstreut als zentralisiert anzutreffen sind.
Damit dieses neuere Netzmodell mit seinen zahlreichen verteilten Energiequellen zuverlässig und effizient funktioniert, muss es überwacht und gesteuert werden. Man kann es als eine typische IoT-Anwendung betrachten. Daten können in Echtzeit von Leitungssensoren, Verbrauchern und Generatoren gesammelt und an einen zentralen Kontrollpunkt weitergeleitet werden, der Analyse- und Kontrollfunktionen ausführen kann. Dies ermöglicht den Ausgleich von Stromlasten, die Fehlersuche bei Ausfällen und das Management der Verteilung.
Es erleichtert auch das „Peak Shaving“, bei dem die Netzbetreiber in Zeiten hoher Nachfrage auf die Energielieferungen aus den erneuerbaren Energiesystemen der Nutzer vor Ort oder sogar auf Batterien zurückgreifen können, um ihre eigenen Kapazitäten zu ergänzen.
Das Netz entwickelt Selbstheilungseigenschaften, da die Kontrollsysteme einfache Probleme erkennen und Reparaturen ohne Eingreifen durchführen können. Schwerwiegendere Schäden an der Infrastruktur können an die Techniker im Kontrollzentrum gemeldet werden, so dass eine rechtzeitige Reparatur erfolgen kann. Um die Zuverlässigkeit und Betriebszeit weiter zu verbessern, kann das Netz adaptiv werden, d. h. der Strom wird umgeleitet, um Problembereiche zu umgehen. Auf diese Weise wird das von Stromausfällen betroffene Gebiet begrenzt.
Deutschlands Fortschritt in Sachen erneuerbare Energien
Im Jahr 2020 übertraf Deutschland alle Prognosen und erreichte 45 % erneuerbare Energien ausgehend vom gesamten Bruttostromverbrauch. 33% davon stammen aus Sonnen- und Windenergie, den am stärksten schwankenden Energiequellen. Weltweit wurde ein Anteil von 30% erneuerbarer Energien erreicht, und die Netze sind heute, dank der Kombination aus robuster Infrastruktur und intelligenter Netztechnologie, nicht nur sauberer, sondern auch zuverlässiger und widerstandsfähiger geworden.
Die Digitalisierung ermöglicht es uns, die Komplexität des modernen Netzes von einer Schwäche in eine Stärke zu transformieren.
Dies ist notwendig für den Betrieb des modernen Netztes, in dem dezentrale Energieressourcen (Distributed Energy Resources – DERs) auf dem Vormarsch sind – von kleinen Solar- und Windparks bis hin zu Elektrofahrzeugen (EVs), Häusern mit Sonnenkollektoren und gewerblichen Mikronetzen. Jedes Jahr kommen buchstäblich Hunderte von Millionen neuer Versorgungspunkte zum Netz hinzu. Auch die Zahl der Elektrofahrzeuge nimmt exponentiell zu: Allein in den USA werden bis zum Jahr 2030 voraussichtlich 26 Millionen Fahrzeuge verkauft, gegenüber 5,6 Millionen in diesem Jahr.
Mögliche Einsparungen durch Smart Grids und Ausblick
Die Digitalisierung – Sensoren, künstliche Intelligenz und Automatisierung – nutzt die kombinierte Leistung all dieser DERs und verlagert die Stromnachfrage in Gebäuden und bei E-Fahrzeugen auf Zeiten, in denen Sonnen- und Windenergie verfügbar sind. Auf diese Weise können die Städte mehr erneuerbare Energie und weniger fossile Reserveenergie nutzen. Diese Nachfrageflexibilität hilft zudem, Nachfragespitzen abzufedern. Allein in der EU könnte die Flexibilität intelligenter Netze von heute bis 2030 jährlich Milliardenbeträge einsparen, da der Ausbau der Infrastruktur auf das notwendige Maß angepasst werden kann.
Und die Kosteneinsparungen gehen noch weiter und erstrecken sich auch auf den normalen Stromverbraucher. Mit Smart Grids und erneuerbaren Energieträgern können die Stromverbraucher vom reinen Konsum zum “Prosumerismus“ übergehen, d. h. sie können Strom erzeugen und selbst verbrauchen und den übrigen sogar wieder an das Netz verkaufen.
Stellen Sie sich 26 Millionen Elektroautofahrer vor, die ihre Fahrzeuge im Netz aufladen können. Bei 40 kWh pro E-Fahrzeug könnten sie genug sauberen Strom ins Netz zurückverkaufen, um 100.000 US-Haushalte ein ganzes Jahr lang zu versorgen. Prosumerismus könnte sauberen Strom für viel mehr Menschen erschwinglich machen.
Auch die Internationale Agentur für erneuerbare Energien empfiehlt intelligente Stromnetze für Entwicklungsländer, um den steigenden Strombedarf mit erneuerbaren Energien zu decken und gleichzeitig neue Möglichkeiten für wirtschaftliches Wachstum zu schaffen.
Der allgemeine Zugang zu sauberem Strom ist für eine erfolgreiche Energiewende von zentraler Bedeutung. Es sollte dafür gesorgt werden, dass die Menschen überall dort, wo sie kochen, heizen, kühlen, Auto fahren etc., sicheren, intelligenten und nachhaltigen Strom nutzen können.
Noch sind vielleicht nicht alle Antworten auf die Frage, wie wir bis 2050 weltweit eine Netto-Null-Emission erreichen können, beantwortet. Das Potenzial von grünem Wasserstoff und anderen Innovationen wird noch weiter erforscht, um das letzte Stück der Emissionen im Flug- und Schiffsverkehr und in der Schwerindustrie einzudämmen.
Aber es gibt bereits die Technologie, die wir brauchen, um das Ziel des UN-Umweltprogramms zu erreichen, die globalen Emissionen bis 2030 zu halbieren. Tatsächlich könnten durch eine saubere Elektrifizierung von Gebäuden, Industrie und Verkehr drei Viertel der weltweiten Emissionen beseitigt werden.
Anwendungsszenarien von Smart Grids
Während das herkömmliche Stromnetz den von Großkraftwerken zentral erzeugten Strom an die Verbraucher verteilt, führen intelligente Stromnetze auch alle Datenströme der Energieversorgung zusammen. So können zum Beispiel die stark schwankenden Einspeisungen aus Solar- und Windkraftanlagen in den bestehenden Stromnetzen effizient ausgeglichen und gezielt gesteuert werden. Die erzeugten und verbrauchten Energiemengen müssen kontinuierlich von IoT-fähigen Sensoren und Geräten gemessen und analysiert werden.
Intelligente Zähler
Auf der Verbraucherseite wird dies mit intelligenten Zählern angegangen. Sie steuern auch die Einspeisung von Solarstrom, wenn die Verbraucher mit einer Solaranlage auf dem Dach auch zu Stromproduzenten (Prosumern) werden. Der Einbau der notwendigen intelligenten Messsysteme (iMSys) ist erst ab einem jährlichen Stromverbrauch von über 6.000 kWh verpflichtend – oder wenn die Verbraucher selbst Strom ins Netz einspeisen. In diesem Fall empfängt ein Smart-Meter-Gateway (SMGW) mit integriertem Sicherheitsmodul die Messdaten und bereitet sie für externe Marktteilnehmer, interne, steuerbare Energieverbraucher und Energieerzeuger (intelligente Haushaltsgeräte, Photovoltaikanlagen) auf. Bis 2032 müssen alle Stromverbraucher in Deutschland mindestens über einen digitalen Zähler ohne Gateway verfügen.
Halbleiter für die Energiewende
Messen, regeln, transformieren und kommunizieren – bei der Energiewende kommt der Leistungselektronik eine besondere Bedeutung zu. Während zum Beispiel Photovoltaikanlagen oder Batterien Gleichstrom liefern, liefern Windkraftanlagen Wechselstrom mit einer Frequenz, die nicht direkt genutzt werden kann. Gleichzeitig haben die Stromverbraucher individuelle Bedürfnisse, was Strom und Spannung angeht. Das Energiesparpotenzial ist immens, denn statistisch gesehen durchläuft der Strom schon heute auf seinem Weg vom Erzeuger zum Verbraucher mindestens einen Stromrichter. Laut einer Studie des European Center for Power Electronics (ECPE) könnte durch den Einsatz moderner Leistungselektronik mehr als ein Viertel der elektrischen Energie eingespart werden.
Und in manchen Bereichen ist Silizium nicht mehr die erste Wahl. Halbleiter mit breiter Bandlücke, wie das zunehmend verwendete Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), profitieren von einer höheren Schaltleistung bei gleichbleibend geringen Verlusten. Nach Ansicht der Analysten von Yole Développement befindet sich die Technologie jedoch noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Sie erwarten für SiC-Bauteile im Jahr 2027 einen Umsatz von 6,3 Mrd. USD. In der Zwischenzeit überraschen Siliziumbauteile weiterhin mit erheblichen Leistungssteigerungen und werden auch in den kommenden Jahrzehnten eine Einnahmequelle für die Industrie sein. Generell sind Wärmemanagement, Robustheit, Zuverlässigkeit und letztlich das Packaging nach wie vor zentrale Themen im Bereich der Halbleiter.
Eingebettete Systeme – Embedded Systems
Halbleiter sind auch die Bausteine von eingebetteten Systemen in einer digitalen, vernetzten und automatisierten Energiewelt. Sie liefern zum Beispiel Daten über den Zustand des Netzes, die Temperatur, den Stromfluss und den Winkel der Kabel. Die Daten werden in der Cloud oder direkt vor Ort (Edge) mit KI-Algorithmen verarbeitet. Eingebettete Systeme wandeln auch die traditionelle Gebäudeautomation in eine Form der vorhersagebasierten Verwaltung um, die ein erhebliches Potenzial für Energieeinsparungen bietet. Und in Zukunft können Gebäude mit intelligenten Verbrauchszählern (iMSys), die an ein intelligentes Stromnetz angeschlossen sind, nicht nur ihren eigenen Verbrauch optimieren, sondern auch selbst die Rolle des Stromproduzenten übernehmen, indem sie überschüssige Energie in das Netz einspeisen.
Hive Power Experteninterview – Innovative Lösungen für Smart Grids
Das 2017 in der Schweiz gegründete Unternehmen Hive Power ist ein führender Anbieter von innovativen Lösungen für intelligente Stromnetze. Hive Power bietet eine SaaS-Plattform, die bestehende elektrische Verteilnetze, sowohl unter technischen als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten, optimiert.
Das Team von Hive Power besteht aus Forschern und Wissenschaftlern mit fundierten Kenntnissen in den Bereichen intelligente Netze, Datenwissenschaft und Optimierung mit langjähriger Erfahrung in der Forschung und in Pilotprojekten zum dezentralen Energiemanagement. Wir haben mit Herr Gianluca Corbellini, CEO von Hive Power gesprochen und freuen uns über die informativen Antworten.
Q: Herr Corbellini, welche Erfahrungen haben Sie gemacht, seit Sie durch innovative Ideen die Optimierung des traditionellen Netzes im Fokus haben?
A: Es war eine beeindruckende Reise. Als wir 2017 aufbrachen, hatten wir ein klares Ziel vor Augen: die Optimierung des Flexibilitätsmanagements für Verteilnetze und Energieversorger. Und wir haben unsere Machbarkeit und Markttauglichkeit mit unseren Anwendungen für Flexibility Orchestration bewiesen, die von unseren Kunden, die vom traditionellen Netz zum Smart Grid wechseln, eingesetzt werden.
Mit Hilfe der wichtigsten Akteure der Mobilitätsbranche haben wir Lösungen für das intelligente Stromnetz wie Vehicle-to-Grid und intelligentes Laden von Elektrofahrzeugen getestet und die Lösung FLEXO Smart EV Charging entwickelt, die Automobilunternehmen und EV-Flottenmanager unterstützt.
Q: Welches ist Ihr bisher interessantestes Smart-Grid-Anwendungsprojekt?
A: Das ist schwer zu sagen, denn wir haben an erstaunlichen Projekten im Bereich intelligente Netze, Mobilitätsforschung sowie Pilotprojekten in ganz Europa gearbeitet. Ein Projekt, das besonders hervorsticht ist DrainSpotter. Es ist einzigartig, weil wir eine Lösung entwickeln, die sowohl den Verbrauchern als auch dem Verteilernetzbetreiber – in diesem Fall AEM – widmet.
DrainSpotter ist eine intuitive mobile Anwendung (APP), mit der die Verbraucher ihren Stromverbrauch im Laufe der Zeit überwachen können, informative Zusammenfassungen ihres Verbrauchsverhaltens erhalten und automatisch über Anomalien benachrichtigt werden, die von Algorithmen des maschinellen Lernens erkannt werden.
Mit dieser App können Privatkunden von AEM übermäßigen Standby-Strom von über 200 W vermeiden. Wenn die Verbraucher die APP über 2 Wochen verwenden, würde AEM insgesamt 10 % weniger Energie liefern und 5 % der Kunden würden ihren Gesamtenergieverbrauch um mindestens 20 % senken. 4,2 % der Kunden würden über einen Zeitraum von 1,5 Jahren mindestens 513 € (Stand 09/22) auf ihrer Gesamtenergierechnung einsparen.
Q: Wie schneidet Deutschland im Vergleich zum gesamten europäischen Markt für intelligente Netze ab?
A: Deutschland ist auf dem Gebiet der erneuerbaren Energien führend. In der ersten Hälfte dieses Jahres wurden 49 % des in Deutschland verbrauchten Stroms aus erneuerbaren Quellen erzeugt, was auch einen Einfluss auf die zunehmende Verbreitung intelligenter Netze hat. Nach dem SINTEG-Projekt zu urteilen, scheint sich die deutsche Regierung für den Ausbau der Smart-Grid-Technologie einzusetzen. Es gibt verlässliche Prognosen, dass die Investitionen in intelligente Stromnetze in Deutschland zwischen 2016 und 2026 auf 23,6 Milliarden Dollar steigen werden.
Der Markt birgt ein großes Potenzial, vor allem im Bereich der Elektrofahrzeuge, da der Boom der Elektrofahrzeuge mit dem Ausbau intelligenter Netze einhergeht. Das Laden von Elektrofahrzeugen in Deutschland muss intelligenter und kosteneffizienter werden, da diese mit dem Stromnetz interagieren und Vehicle-to-Grid-Dienste mithilfe von Plattformen wie unserem FLEXO Smart EV Charging anbieten können.
Q: Wie wichtig sind intelligente Stromzähler auf diesem innovativen Weg zum intelligenten Stromnetz?
A: Intelligente Zähler machen intelligente Stromnetze erst möglich! Ein intelligentes Netz nutzt eine fortschrittliche Messinfrastruktur (AMI), die aus intelligenten Zählern, Sensoren, Kommunikationsprotokollen und Datenverwaltungssystemen besteht, um die Energienachfrage, -verteilung und -erzeugung nahezu in Echtzeit zu überwachen und zu steuern.
Wir brauchen mehr intelligente Zähler, damit unsere innovativen Netzsysteme genaue Entscheidungen und Vorhersagen, auf der Grundlage der von diesen intelligenten Zählern generierten Daten, treffen können. Die KI-Algorithmen, die wir bei Hive Power entwickeln, werden zum Beispiel durch die enormen Datenmengen ermöglicht, die von intelligenten Zählern gesammelt werden.
Q: Was sind Ihrer Meinung nach die wichtigsten Vorteile von intelligenten Netzen?
A: Nachhaltigkeit, Kosteneinsparungen und Dezentralisierung der Energieversorgung!
Eine nachhaltige Erde ist der Hauptgrund, warum wir erneuerbare Energiequellen fördern; wir wollen die Treibhausgasemissionen reduzieren. Intelligente Netze ermöglichen es, den Mix dieser variablen Energiequellen effektiv zu verwalten und zu optimieren, ohne die Energieversorgung zu unterbrechen. Folglich sparen die intelligenten Netze den Energieverbrauchern und -erzeugern eine Menge Kosten durch den richtigen Netzausgleich, die Erkennung von Spannungs- und Frequenzanomalien und die automatisierte Reaktion auf den Bedarf „Demand Response“. Und schließlich ermöglichen intelligente Netze integrierte Mikronetze. So können Haushalte oder Gemeinden erneuerbare Energie erzeugen, ihre Energie verwalten und bei Bedarf vom Hauptnetz kaufen und verkaufen. Klingt beeindruckend, oder? Wir sind in diesem Bereich aktiv und leisten mit unserem FLEXO Community Manager herausragende Beiträge in verschiedenen Projekten in ganz Europa.
Vielen Dank Herr Corbellini für das spannende Interview – wir von magility freuen uns, die Entwicklungen von Hive Power weiter zu verfolgen.
Magility’s Zukunftsvision
Die Technologie der intelligenten Netze boomt, und die Bundesregierung bietet Anreize für die Umsetzung. Außerdem wird ein Anstieg der Installationen intelligenter Zähler erwartet. Da die kumulierte Marktkapitalisierung in den kommenden Jahren exponentiell ansteigen wird, könnte dies der Beginn einer neuen Ära sein.
Die intelligenten Stromnetze der Zukunft könnten auch das Problem der Ladestationen für Elektrofahrzeuge lösen. Sie sind aber nicht nur wertvoll, um die Lücke zwischen Angebot und Nachfrage bei den intermittierenden erneuerbaren Energiequellen zu schließen.
Mit ausreichend intelligenten Stromnetzen lassen sich Stromspitzen und die Häufigkeit von Stromausfällen verhindern. Sobald diese Technologie vollständig und auch in der Fläche installiert ist, kann sie auch die Energiekosten erheblich senken und die Datenkontrolle in Echtzeit sowie das Aufladen in großem Maßstab erleichtern.
Wir von Magility beobachten diese spannenden Entwicklungen und halten Sie auf dem Laufenden.
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