Da grüne Energiequellen nicht konstant die gleiche Menge Energie erzeugen, wird die Stromproduktion mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien unbeständiger. Sogenannte Smart Grids beziehungsweise intelligente Stromnetze können diese Schwankungen ausgleichen und sorgen so für ein stabiles Netz. Der Artikel verrät, wie die Smart-Grid-Technologie das schafft und wie die Energiewende weiter vorangetrieben werden kann.
Intelligente Stromnetze sind ein bedeutsames Resultat der Industrie 4.0 und der Energie Automation. Sie stellen eine Kombination aus Erzeugung, Verbrauch und Speicherung dar. Dabei gleicht eine zentrale Steuerung Leistungsschwankungen im Netz, die aufgrund des fluktuierenden grünen Stroms entstehen, aus.
Die einzelnen Komponenten des Smart Grid sind jederzeit optimal aufeinander abgestimmt. Damit das funktioniert, nutzt das intelligente Netz moderne Informations- und Kommunikationstechnologien sowie dezentral organisierte Energiemanagementsysteme.
Das Smart Grid ist also nicht nur ein Energie-, sondern auch ein Datennetzwerk, das die Netzbetreiber mit Informationen zur Produktion und zum Verbrauch versorgt. Das bedeutet, die Betreiber wissen – anders als bisher – genau, wo und wann ein dezentraler Erzeuger Strom ins Netzwerk einspeist. Das ist wichtig – denn wird der Anteil dieser dezentralen Erzeugungsanlagen zu hoch, wächst auch die Gefahr eines instabilen Netzes. Auf diese Weise ist eine optimale Netzauslastung unter Integration der erneuerbaren Energien viel eher realisierbar.
Damit Smart Grids funktionieren, müssen alle Teilnehmer des Stromnetzes ihre Erzeugung und ihren Verbrauch kommunizieren können. Eine wichtige Rolle spielen also intelligente Stromzähler, sogenannte Smart Meter – die in Deutschland bereits im Jahr 2015 im Rahmen des Gesetzes zur "Digitalisierung der Energiewende" beschlossen wurden. Die smarten Stromzähler sind seit 2017 hierzulande Pflicht. Sie erfassen Verbräuche in Echtzeit und teilen diese den Teilnehmern des Smart Grid mit.
Unerlässlich sind außerdem "intelligente Verbraucher", also Geräte wie Heizungen, Waschmaschinen oder Wärmespeicher, die sich genau dann einschalten, wenn das Netz ein Überangebot an Energie verzeichnet.
Innerhalb der intelligenten Stromnetze übernehmen die folgenden Elemente verschiedene Rollen:
Steuerungszentrale: Hier laufen alle Informationen – aktuelle Stromverbräuche sowie Zahlen zur Erzeugung und Prognosen auf einer breiten Datenbasis – zusammen. Mit Hilfe dieser Informationen steuert die Zentrale das Netz und gleicht mögliche Angebotsüberschüsse oder eine hohe Nachfrage aus. Interessante Entwicklungen im Forschungsfeld Künstliche Intelligenz deuten darauf hin, dass intelligente Stromnetze in Zukunft durch intelligente Technologien gesteuert werden könnten. Dies hätte voraussichtlich eine beträchtliche Effizienzsteigerung zur Folge.
Stromspeicher: Entsprechende Speichertechnologien bieten die Möglichkeit, überschüssigen Strom zu speichern. Gemeint sind sowohl große Speicheranlagen als auch private Speicher. So kann Strom, der – zum Beispiel an besonders sonnigen oder windigen Tagen – erzeugt wird, zwischengespeichert und erst dann abgegeben werden, wenn der Bedarf die Erzeugung übersteigt. Hier kommen erneut die intelligenten Stromzähler ins Spiel, die genau wissen, wann die produzierte Strommenge größer ist als der Bedarf und umgekehrt.
Kraftwerke: Die Kraftwerke der Zukunft erzeugen grünen Strom aus erneuerbaren Quellen. Das bedeutet, dass an die Stelle großer Atom- und Kohlekraftwerke kleinere, aber dafür mehr Energiequellen treten. In Deutschland handelt es sich dabei vor allem um Solaranlagen und Windräder. Hinzu kommen Wasserkraftwerke sowie Geothermie- und Biogasanlagen.
Dezentrale Erzeugungsanlagen: Haushalte mit eigenen Photovoltaikanlagen, Brennstoffzellen oder Blockheizkraftwerken könnten im Smart Grid aktiv am Stromhandel teilnehmen. Auch hier sind die intelligenten Zähler relevant. Möglich wäre auch, viele kleine Stromproduzenten miteinander zu vernetzen, um Schwankungen in der Erzeugung flexibel auszugleichen. Auf diese Weise würde jeder Erzeuger einen Anteil an der Produktion von grünem Strom und damit einen Beitrag zum Umweltschutz leisten.
In den letzten Jahren und im Zuge der Energiewende wird der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromerzeugung immer größer. In der Folge wird immer mehr aus Solar- und Windkraft gewonnene Energie – auch solche aus dezentraler Erzeugung – in unser Stromnetz eingespeist.
Das Problem: Wind- und Solaranlagen erzeugen unbeständiger Energie als das herkömmliche Energiequellen wie Kohle- oder Atomkraftwerke tun. So kommt es – zum Beispiel bei Photovoltaikanlagen – tagsüber, in den Sonnenstunden, zu einem Stromüberschuss. Nachts dagegen wird keine elektrische Energie erzeugt.
Da unser Energiebedarf mit jedem Jahr steigt, sind Smart Grids eine sinnvolle Möglichkeit, Schwankungen auszugleichen. Damit ein stabiles Netz realisiert werden kann, braucht es aber ein dichtes Datennetz, das Erzeugung, Verteilung und Speicherung der gewonnenen Energie koordiniert.
Parallel zum Stromnetz bedeutet Smart Grid daher auch das Entstehen eines durch IT- und Kommunikationstechnik unterstützten Datennetzes. Seine Aufgabe ist es, die schwankende Energiezufuhr und die Versorgung des Stromnetzwerks intelligent zu überwachen und zu regeln. Dieses sollte lückenlos funktionieren und ein schneller Austausch von Industrieersatzteilen aller vernetzten Systeme ist erforderlich.
Ein Smart Grid Beispiel: Sobald das Smart Grid erkennt, dass aktuell mehr Energie produziert als benötigt wird, kann es die Produktion einzelner Windräder oder Solaranlagen gezielt drosseln. Außerdem hat das Smart Grid dank der intelligenten Zähler die Möglichkeit, Überschüsse abzubauen, indem es höhere Verbräuche bei den Endabnehmern forciert.
Der Vorteil für die Verbraucher ist, dass sie besonders günstigen Strom beziehen. Das liegt daran, dass der Strompreis automatisch sinkt, sobald das Energieangebot im Netz die Nachfrage übersteigt. Das intelligente Stromnetz stimmt Angebot und Nachfrage also optimal aufeinander ab.
Ein weiterer Vorteil: Auch Haushalte und kleine und mittelständische Betriebe können mit ihren Brennstoffzellen, Photovoltaikanlagen oder Blockheizkraftwerken Teil des Energienetzes werden und so aktiv am Stromhandel teilnehmen. Möglich wären auch Lösungen, bei denen viele kleine Stromerzeuger miteinander verknüpft werden. Dies würde Schwankungen im Netz ausgleichen, sodass jeder einzelne Erzeuger für die Stabilität des Netzes mitverantwortlich ist.
In Deutschland, aber auch in Österreich und der Schweiz werden in Modellregionen bereits Smart Grids umgesetzt. Die Versuche zeigen, dass schon mit der heute verfügbaren Software die Regelung von Stromproduktion und -verbrauch innerhalb der Regionen gelingen kann. Weitere Investitionen und Forschung sind notwendig. Experten sind sich aber einig, dass ohne intelligente Stromnetze der Komplettumstieg auf erneuerbare Energiequellen nicht möglich sein wird.
Intelligente Stromnetze werden als Voraussetzung für das Gelingen der Energiewende gesehen. Das Smart Grid ist dabei nicht nur für die Energieverteilung, sondern vor allem auch für die Kommunikation der Energieerzeuger, -speicher und -verbraucher zuständig. Dafür greift das Smart Grid auf Informations- und Kommunikationstechnologie zurück, die es befähigt, die schwankende Energiezufuhr im Netz auszugleichen und damit eine stabile Stromversorgung zu gewährleisten.
