Intelligentes Stromnetz

Intelligentes Stromnetz

Der Begriff intelligentes Stromnetz (engl. Smart Grid) umfasst die kommunikative Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischer Verbraucher und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungs- und -verteilungsnetzen der Elektrizitätsversorgung. [1] Diese ermöglicht eine Optimierung und Überwachung der miteinander verbundenen Bestandteile. Ziel ist die Sicherstellung der Energieversorgung auf Basis eines effizienten und zuverlässigen Systembetriebs. [2]

Inhaltsverzeichnis

Hintergründe und Motivation

Während bislang Stromnetze mit zentraler Stromerzeugung dominieren, geht der Trend hin zu dezentralen Erzeugungsanlagen, sowohl bei der Erzeugung aus fossiler Primärenergie durch kleine KWK-Anlagen als auch bei der Erzeugung aus erneuerbaren Quellen wie bei Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen und Biogasanlagen. Dies führt zu einer wesentlich komplexeren Struktur, primär im Bereich der Lastregelung, der Spannungshaltung im Verteilnetz und zur Aufrechterhaltung der Netzstabilität. Kleinere, dezentrale Erzeugeranlagen speisen im Gegensatz zu mittleren bis größeren Kraftwerken auch direkt in die unteren Spannungsebenen wie das Niederspannungsnetz oder das Mittelspannungsnetz ein.

Generell werden Netze, auch elektrische Energieversorgungsnetze, auf die mögliche Höchstbelastung ausgelegt. Die Reduktion jener Höchstbelastung und die zeitliche Verlagerung der zu übertragenden Energie in Zeiten mit geringerer Auslastung ermöglicht die notwendige Netzinfrastruktur kleiner auszulegen und führt dadurch zu Kostenvorteilen. Hierbei bleibt die insgesamt übertragene Energiemengen in etwa gleich, es wird nur die Auslastung der Netze optimiert. Beispielsweise waren im Jahr 2009 Stromnetze in der Schweiz im Jahresdurchschnitt nur zwischen 30 bis 40 % ausgelastet. Kostenvorteile und Versorgungssicherheit sind daher Anreize für die Netzbetreiber, teure Lastspitzen zu vermeiden und im theoretischen Idealfall nur einen möglichst zeitlich konstanten Lastanteil, welcher über dem so genannten Grundlastanteil liegt, zu haben. Diese Nivellierung der Last kann mittels intelligenter Netze durch automatische Steuerungen und Kontrolle von Verbrauchsanlagen erfolgen.

Eine Eigenschaft jener Netze ist die Möglichkeit, Zustandsinformationen und Lastflußdaten aus den einzelnen Netzelementen, wie z. B. Erzeugungsanlagen, Verbrauchern (Haushalte oder Industrieanlagen) oder auch Transformatorenstationen in Echtzeit abrufen und verarbeiten zu können. Smart Grid bezieht neben den Produktionsanlagen auch größere Verbraucher wie Wärmepumpen, Warmwasserspeicher, Tiefkühler, Autobatterien usw. in das Netzmanagement mit ein.

Aufbau eines Smart Grids

Ein Smart Grid integriert sämtliche Akteure auf dem Strommarkt durch das Zusammenspiel von Erzeugung, Speicherung, Netzmanagement und Verbrauch in ein Gesamtsystem. Kraft- und Speicherwerke werden bereits heute so gesteuert dass stets nur so viel Strom produziert wird wie benötigt. Smart Grids beziehen in diese Steuerung die Verbraucher sowie dezentrale kleine Energielieferanten und -speicherorte mit ein, sodass einerseits ein zeitlich und räumlich homogenerer Verbrauch entsteht und andererseits prinzipiell inhomogene Erzeuger (z.B. Windkraft) und Verbraucher (z.B. Beleuchtung) besser integriert werden können.

Die Stromspeicherung, welche aufgrund der schwankenden Erzeugung erneuerbarer Energien an Bedeutung gewinnt, wird seit langem mit Hilfe von Speicherkraftwerken realisiert. Hinzu kommen beispielsweise dezentrale Speicher wie Fahrzeugakkumulatoren, was jedoch derzeit noch fernab der Kostendeckung ist.

Für die Verbraucher ist eine wesentliche Änderung der Einbau von Intelligenten Zählern (auch smart meter). Ihre Kernaufgaben sind Fernauslesung und die Möglichkeit, kurzfristig innerhalb eines Tages schwankende Preise realisieren zu können. Alle Stromzähler müssen also gegen solche mit Datenfernübertragung ausgetauscht werden. Die Datenübertragung zwischen den einzelnen Komponenten läuft in Pilotprojekten meist über Telefon-Modem - das smart power Projekt in der Schweiz arbeitet dagegen bereits mit ADSL Verbindungen.

Der Verbraucher kann jedoch nur dann ohne Komfort-Einbußen Preisvorteile realisieren, wenn er auch über Geräte verfügt, die automatisch vorzugsweise während Niedertarif-Zeiten arbeiten. Dabei handelt es sich um zeitunkritische Prozesse wie Tiefkühlen, Heizen (Elektroboiler), Waschen oder Geschirrspülen. Mit Nachtspeicheröfen und festen Nachttarifen wurde dies bereits vor Jahrzehnten realisiert, moderne Systeme können jedoch flexibler und intelligenter arbeiten, was insbesondere für die Einbeziehung erneuerbarer Energien wichtig ist.

Aktuelle Aktivitäten in Europa

Das italienische Energieversorgungsunternehmen Enel installiert als Schritt in Richtung Smart Grid seit Ende der 1990er Jahre ein automatisiertes Ablesesystem für Stromzähler. Dieses geschah insbesondere zur Verhinderung der großen Verluste durch Stromdiebstahl, dem durch die modernen Zähler Einhalt geboten wurde.

Im Rahmen des E-Energy-Förderprogramms werden zurzeit in der Bundesrepublik Deutschland, gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie und dem Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit, in sechs sogenannten Modellregionen die Auswirkungen von Smart Grids und deren praktischer Umsetzung in realen Stromversorgungsnetzen untersucht.[3]

Innerhalb des Projektes Web2Energy, welches durch das 7. Rahmenprogramm (FP7) der Europäischen Kommission gefördert wird, wird ein diskriminierungsfreies Kommunikationssystem für alle beteiligten Marktpartner innerhalb eines intelligenten Stromnetzes in Südhessen unter Verwendung der weltweit anerkannten IEC-Normen aufgebaut und getestet.

In Österreich entsteht ebenfalls eine Smart-Grid-Initiative.[4]. Das österreichische Bundesministerium für Verkehr, Innovation und Technologie fördert im Rahmen des Programms Energiesysteme der Zukunft sowie über das Energieforschungsprogramm des Klima- und Energiefonds Forschungs- und Demonstrationsprojekte zum Thema.[5]. Gemeinsam mit Stromnetzbetreibern und Tehnologieunternehmen entstehen mehrere Pionierregionen. Die Salzburg AG hat beispielsweise zwei Projekte ins Leben gerufen. Zum einen das Projekt „ElectroDrive“ und zum anderen das Projekt „Smart Grids“. Diese beiden Projekte wurden mit 1,9 Millionen und 1,7 Millionen Euro vom österreicherischen Klima- und Energiefond prämiert und gefördert. Sie sind nahezu untrennbar, da die Elektrofahrzeuge als Energiespeicher dienen. Momentan fahren in Salzburg 300 Elektrofahrzeuge.[6]

In der Schweiz arbeiten Enercontract AG mit Beteilung der Alpiq im Projekt smart power und die Löpfe AG an der konkreten Umsetzung eines Smart-Grids. Erste Pilotinstallationen sind bei der Firma Jura Elektroapparate AG in Niederbuchsiten und im Versorgungsgebiet der EWS Energie AG Aargau Süd erfolgt.

Problematiken und Herausforderungen bei Smart Grids

In der Schweiz obliegt die Strommessung dem lokalen Elektrizitätsversorgungsunternehmen (EVU) im Rahmen des diskriminierungsfreien Netzanschlusses. Diskriminierungsfrei heißt, dass alle Stromkunden gleiche Bedingungen erhalten (also einzelne Kunden weder Sonderrabatt noch Sonderleistungen beziehen dürfen).

Die Messinformationen stehen hierbei dem Energielieferanten zu, d. h. dürfen derzeit nicht frei zugänglich gemacht werden, insbesondere nicht einem Wettbewerber. Weiterhin ist bei den gewonnenen Messdaten der Datenschutz zu beachten (denn dadurch lässt sich z. B. anhand des Stromverbrauches der "Kaffeemaschine" erkennen, wann jemand morgens aufsteht).

Problematisch ist weiterhin, dass es noch keine überall anerkannten Standards gibt, was gemessen wird, und wie die Daten an ein Ziel übertragen werden. Deshalb werden derzeit in Versuchsanlagen proprietäre Messsysteme eingesetzt, die nicht einfach miteinander kombinierbar oder austauschbar sind. Nach der Einführung von Standards ist möglicherweise ein aufwändiger Wechsel der Systeme notwendig. Beim Projekt smart power wird mit in der IKT üblichen Protokollen gearbeitet. Dadurch lassen sich beliebige nicht proprietäre Systeme kombinieren.

Um das Problem der unterschiedlichen Standards zu vermeiden, kommen häufig unterschiedliche Gateways zum Einsatz. Ein populärer Ansatz zur Harmonisierung einer offenen Gateway-Plattform ist OSGi.

Obwohl die Entwicklung und Standardisierung noch läuft, kann man bereits heute ein einfaches eigenes "SmartGrid" bei sich zu Hause installieren. Ein schönes Beispiel hierfür sind Verbrauchsanzeigegeräte und "StandBy Killer" eines Kantonswerkes der Schweiz. Mit diesen Geräten, die über eine Funkverbindung kabellos arbeiten, kann der Kunde

  • den Stromverbrauch sehen
  • die aktuelle Leistung
  • und er kann abends seine Verbraucher (Fernseher, Video usw.) vom Stromnetz trennen (damit spart man zwischen 20 und 30 Euro pro Jahr).

Normung und Standardisierung

Auf internationaler Ebene werden Datenmodelle und Kommunikationsprotokolle der IEC 61850 weiter entwickelt. Ursprünglich für die Automation in Umspannwerken konzipiert, dehnt sich das Anwendungsfeld dieser Norm auch auf die dezentrale Stromerzeugung in Verteilnetzen aus.

Neben der IKT-bezogenen Normung sind für ein intelligentes Verhalten vieler kleinerer Anlagen am Netz auch systemstabilisierende elektrotechnische Eigenschaften wichtig, d.h. die Reaktion auf Spannungs- und Frequenzänderungen. Diese werden z.B. in Deutschland in der Mittelspannungsrichtlinie definiert. Die FNN-Anwendungsregel "Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz" (E VDE-AR-N 4105:2010-07)[7] wurde ebenfalls überarbeitet und befindet sich im Entwurfsstadium (Stand: Jan 2011).

Auf europäischer Ebene sind hierzu die DIN EN 50438 (Anforderungen für den Anschluss von Klein-Generatoren an das öffentliche Niederspannungsnetz)[8] zu nennen, sowie für größere Einspeiser ab 11 kVA die DIN CLC/TS 50549 (Anforderungen für den Anschluss von Stromerzeugungsanlagen über 16 A je Phase an das Niederspannungsverteilungsnetz oder an das Mittelspannungsverteilungsnetz)[9].

In den USA ist die IEEE 1547 (Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems)[10] von Relevanz.

Literatur

Weblinks

Einzelnachweise

  1. ↑ NIST Smart Grid Interoperability Standards Roadmap
  2. ↑ §1 (Zweck des Gesetzes) EnWG
  3. ↑ E-Energy Homepage
  4. ↑ Technologieplatform Smart Grids
  5. ↑ http://www.ENERGIESYSTEMEderZukunft.at/highlights/smartgrids
  6. ↑ Modellregion Salzburg
  7. ↑ Forum Netztechnik/Netzbetrieb: Entwürfe von VDE-Anwendungsregeln (FNN)
  8. ↑ VDE-Verlag: VDE 0435-901, DIN EN 50438:2008-08
  9. ↑ DKE: Technische Spezifikation DIN CLC/TS 50549
  10. ↑ IEEE Standards Association: IEEE 1547 Standard for Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems

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