Smart Grids: Mit moderner Kommunikationstechnik zu intelligenten Stromnetzen

Technologie

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Datum 21.03.2022
Lesezeit 7 Min.

Smart Grids: Mit moderner Kommunikationstechnik zu intelligenten Stromnetzen

Intelligente Stromnetze sind nicht nur der Schlüssel für den Erfolg der Energiewende, sondern auch für wirtschaftlich effizientes und nachhaltiges Handeln in der Industrie. Sogenannte Smart Grids stellen dank Internet of Things-Technologie (IoT) den Strom genau dort zur Verfügung, wo er gerade benötigt wird.

Was braucht es, um energieeffizient und nachhaltig wirtschaften zu können? Zum einen Kontrolle über den eigenen Energieverbrauch, zum anderen Flexibilität, um auf Preis- und Angebots-Schwankungen des Strommarktes reagieren zu können. Laut einer Studie des Verbands Kommunaler Unternehmer wünscht sich mehr als die Hälfte der Deutschen, dass Bund und Länder ihren Fokus in der Klimapolitik auf den Ausbau der erneuerbaren Energien legen. Doch wie lässt sich vor dem Hintergrund der Energiewende eine flexible, klimafreundliche und hocheffiziente Versorgungssicherheit umsetzen?

 

Smart Grid: Was ist das?

Wenn Stromerzeuger aus verschiedenen Regionen Strom aus erneuerbaren Energien in das Stromnetz einspeisen, kommt es zwangsläufig zu Leistungsschwankungen im Gesamtnetz. Die unterschiedlich starke Sonneneinstrahlung sorgt beispielsweise bei Photovoltaikanlagen für unterschiedliche Gesamtleistung teils im Sekundentakt.

Die Lösung: ein schlaues Stromnetz (Englisch: Smart Grid). Das Smart Grid stimmt das Erzeugen, Speichern und den Verbrauch von Strom optimal aufeinander ab. Eine zentrale Steuerung gleicht die Ungleichmäßigkeiten in einem Smart Grid aus und ermöglicht einen Datenaustausch zwischen Stromerzeugern, -speichern und Verbrauchern. Die großen Stromerzeuger erkennen anhand dieser Daten, wann dezentrale Erzeuger (etwa die Photovoltaikanlage eines Unternehmens) wie viel Strom ins Smart Grid einspeisen.

 

Warum Smart Grids die Zukunft der Energieversorgung sichern

Immer mehr Unternehmen produzieren ihre Energie bereits mit Hilfe einer Photovoltaikanlage oder eines Blockheizkraftwerks selbst. Rund neun Prozent der Bruttostromerzeugung in Deutschland erfolgte 2021 beispielsweise über Photovoltaikanlagen. Im Jahresmittel wurde fast die Hälfte des Stroms aus erneuerbaren Energien wie Windkraft, Wasser und PV gewonnen.

Was bedeutet Smart Grid Ready?

Smart Grid Ready (auch: SG Ready) ist eine herstellerübergreifende Auszeichnung, die Sie hauptsächlich an Wärmepumpen finden. Über eine Schnittstelle werden SG-Ready-Wärmepumpen in ein Smart Grid integriert. Über das sogenannte Gateway haben Netzbetreiber Zugriff auf das Gerät.

SG-Ready-Wärmepumpen transformieren überschüssigen Strom zur Zwischenlagerung in Wärmeenergie. Diese legen sie in einem Warmwasserspeicher ab. Kommt es zu Schwankungen im Smart Grid, kann der Netzbetreiber die Energie abrufen.

Durch die Einspeisung des grünen Stroms ins öffentliche Netz leisten die Erzeuger einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Doch die dezentrale Produktion durch immer mehr Kleinanlagen stellt das Versorgungssystem vor neue Herausforderungen. Zudem fehlen insbesondere große Speicherlösungen, um Schwankungen bei Nachfrage und Produktion in Einklang zu bringen.

Um das Erzeugen, Verteilen und Speichern sowie den Verbrauch optimal aufeinander abstimmen zu können, braucht es daher eine intelligente Vernetzung aller Komponenten. Hiermit sind nicht nur Energieunternehmen als Großerzeuger gemeint, sondern  Kleinerzeuger und „kleine“ Kunden. Sie können mithilfe intelligenter Regelungssysteme erheblich zur Energiewende beitragen. Eine leistungsstarke Infrastruktur und IoT-Lösungen sind dabei der Schlüssel für die effiziente Nutzung regenerativer Energien. Smarte Systeme verknüpfen alle Aspekte des Energiemanagements miteinander.

 

Video: YouTube / Agentur für Erneuerbare Energien e.V.

 

Wie funktionieren Smart Grids? Aufbau und Komponenten

Innerhalb eines Smart Grids nimmt der Netzbetreiber eine zentrale Position ein. Er überwacht rund um die Uhr den Zustand des Smart Grids und steuert mit Hilfe einer Software den Energiefluss und die „Kommunikation“ zwischen den anderen Netzkomponenten. Dazu gehören dezentrale Stromerzeuger, smarte Gebäude, Windparks, Solarparks sowie dezentrale Speicher.

Häufig taucht in Texten über Stromnetze der Begriff Stromspeicher auf. Doch Sie können Strom nicht speichern, nur in eine andere Energieform umwandeln. Ein Beispiel: Eine Wärmepumpe wandelt Strom in Wärmeenergie um. Wärmepumpen, die an das Smart Grid angeschlossen sind, können gespeicherte Wärme dann wieder in Strom umwandeln.

Kommt es etwa aufgrund einer Windflaute zu einem zeitlich begrenzten Ausfall eines Windparks, stellt die Zentrale des Energieversorgers einen Ausgleich her. So sichert er eine gleichbleibende Stromversorgung des Marktes. Strom wird auf Anweisung der Netzkontrolle aus einem Speicher „abgezogen“ und ins Smart Grid eingespeist. Die Verbraucher:innen merken normalerweise nichts vom Ausfall einer Netzwerk-Komponente.

Mittlerweile erzeugen und verkaufen viele kleine und mittlere Unternehmen selbst erzeugten Strom, etwa durch eine Photovoltaikanlage auf dem Dach. Bevor Ihr Unternehmen den Strom ins öffentliche Netz einspeist, hilft eine schlaue Stromversorgung jedoch bereits innerhalb der Firmengebäude beim Stromsparen:

Zum Beispiel können Sie die Solaranlage auf dem Firmendach mit elektrischen Geräten im Smart Building oder mit den IT-Arbeitsplätzen Ihrer Mitarbeiter:innen verbinden.

Das Steuerungssystem analysiert automatisch das Verbrauchsmuster Ihres Unternehmens sowie den Bedarf an Energie. Es entscheidet selbständig, ob die erzeugte Energie vor Ort genutzt oder ins öffentliche Netz eingespeist und vergütet wird. Das Energiemanagement für Ihre betriebliche Produktion passt sich so optimal an das schwankende Netzangebot an.

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Permanente Messung & Analyse

Für eine möglichst hohe Netzstabilität sind konstante und zuverlässige Informationen essentiell, zum Beispiel zu dem Stromfluss und den Daten aus den verschiedenen Komponenten des Stromnetzes. Der Netzbetreiber muss jederzeit „wissen”, wie viel Strom Industrie, Büros und Privathaushalte verbrauchen. Dazu überwacht der Betreiber die verbrauchte und erzeugte Strommenge mithilfe smarter IoT-Sensorik. Der Aufzeichnung folgt eine Datenanalyse, die eine optimale Nutzung der Netzkapazität ermöglicht.

 

IoT und Smart Meter als Basis von Smart Grids

Intelligente Zähler (englisch: Smart Meter) erfassen kontinuierlich Daten zum Energieverbrauch und den zugeführten Strommengen. Cloudbasierte IoT-Plattform visualisieren und analysieren diese Werte.

So können Sie jederzeit Ihren Strombedarf sowie die Verbrauchs- und Kostenentwicklung einsehen, um das Nutzungsverhalten Ihres Unternehmens zu optimieren. Zugleich koordinieren Sie das Einspeisen, Speichern und Verteilen selbst erzeugter Energie über ein Online-Portal – ganz nach Bedarf.

Das System stellt den Strom immer genau dort zur Verfügung, wo Sie ihn gerade benötigen. Das hilft wiederum dabei, den Gesamtverbrauch und die Kosten zu reduzieren. Bis 2032 sollen deshalb nach Plänen der Bundesregierung Smart Meter alle „älteren” Stromzähler in Deutschland ersetzen. Der umfassende Einsatz schlauer Sensorik ermöglicht eine Reihe neuer Stromversorgungsmodelle, von denen auch Ihr Unternehmen profitieren kann – zum Beispiel mit Hilfe von E-Autos.

IoT Tracker: Lösungen für Ihr Business

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Sogar Autos können Strom einspeisen

Selbst erzeugten Strom können Sie ohne Verluste auf Wärmepumpenanlagen, auf vernetzte Speichersysteme oder auch Ladestationen für die Elektroautos Ihres Fuhrparks verteilen. Mittlerweile haben E-Autos und Hybride einen Marktanteil von 31,4 Prozent bei den Neuzulassungen in Deutschland. Der Staat fördert die Installation von Ladestationen in Ihrem Unternehmen (Stand Februar 2022) mit bis zu 900 Euro.

Denkbar wäre auch, dass Sie ihre Mitarbeiter:innen dafür bezahlen, dass diese ihre elektrisch angetriebenen Firmenwagen oder das private E-Auto am Arbeitsplatz stundenweise als Energie-Zwischenspeicher zur Verfügung stellen. Damit kann Ihr Unternehmen von den Mitarbeiter:innen Strom erwerben, den diese zu Hause in der PV-Anlage erzeugen. Die Mitarbeiter:innen geben den Strom dabei zu einem höheren Preis ab, als sie es mit Überschussstrom bei normaler Netzeinspeisung tun würden.

Im Fahrzeug verbleibt dabei jederzeit so viel Strom, dass die Fahrt nach Hause inklusive einer Sicherheitsreserve problemlos möglich ist. Die Speicherkapazität des Fahrzeuges, die Sie tagsüber beruflich nutzen, vermieten die Mitarbeiter:innen gewissermaßen an Ihr Unternehmen.

So kann Ihr Unternehmen Strom selbst regenerativ herstellen oder „externen“ Strom genau dann zukaufen, wenn dieser an der Strombörse besonders günstig ist. Diesen Kostenvorteil würden Sie sich mit ihren Mitarbeiter:innen teilen. Diese verdienen mit ihrem Auto Geld, während es am Arbeitsort parkt. Und wenn doch mal unterwegs Strom getankt werden soll? Mit Vodafone M2M und ubitricity könnte das schon bald an jeder Straßenlaterne möglich sein.

 

Vom Micro Grid zum Smart Grid

Manche Expert:innen benutzen die Begriffe Micro Grid und Smart Grid synonym. Doch es gibt Unterschiede zwischen den Bezeichnungen:

Micro Grid: Ein Micro Grid ist ein sogenanntes autarkes Inselnetz. Auch wenn es im übergeordneten Stromnetz zu Schwankungen in der Versorgung kommt, bleibt das Micro Grid aufgrund seiner Fähigkeit zur Selbstversorgung davon verschont. Besonders bei der sogenannten kritischen Infrastruktur (Kliniken, Notrufzentralen, Serverfarmen) bietet die Micro-Grid-Struktur mehr Sicherheit.

Smart Grid: Im Normalbetrieb kann ein Micro Grid durchaus Teil eines größeren Smart Grids sein. In einem großen Smart Grid sind zahlreiche Micro Grids vereint. Diese wiederum können in einem Notfall autark arbeiten.

 

Smart Water Grid

Die Unesco ist sich in ihrem World Water Report sicher: Die Menschheit wird in naher Zukunft immer mehr Wasser verbrauchen. Doch Umweltverschmutzung und klimabedingte Dürreperioden sorgen zunehmend für Wasserknappheit. Sogenannte smarte Wasserversorgungsnetze (englisch: Smart Water Grid) werden daher eine immer wichtigere Rolle spielen.

Als Folge des EU-Forschungsprojekts WatERP haben Wissenschaftler:innen eine Software entwickelt, die den Wasserbedarf einer Stadt oder eine ganzen Region berechnen kann. Mit Hilfe von IoT-Sensorik und einem selbstlernenden Algorithmus werden über einen längeren Zeitraum Daten erhoben. Eine Software vergleicht Wasserverbrauch, Energieverbrauch und Kosten unter anderem mit Wetterdaten. Daraus entwickelt die Software eine Strategie, um durch intelligente Wasserverteilung eine ausreichende Versorgung der Bevölkerung sicherzustellen. Hierzu zählt unter anderem eine intelligente Koordinierung von Pumpen- und Wiederaufbereitungstechnik.

 

Super Smart Grid

Immer mehr Wissenschaftler:innen sind der Meinung: Es gibt keinen Grund, warum Smart Grids nur in auf bestimmte Regionen oder Länder begrenzt sein sollten. Das sogenannte Super Smart Grid soll sich zukünftig über ganze Kontinente erstrecken. So könnte beispielsweise Solarstrom aus der Sahara oder Strom aus Offshore-Windparks in der Nordsee in ein gemeinsames riesiges Stromnetz fließen.

 

IoT-Plattform und Device Management

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Smart Grids und die Sicherheit

Experten weisen auf eventuelle Gefahren hin, die durch eine Vernetzung der Smart-Grid-Komponenten entstehen können. Cyberangriffe auf Smart Meter oder die Grid-Steuerung könnten die nötige Datenanalyse innerhalb eines Smart-Grid-Systems erschweren. Dadurch wäre etwa die gleichmäßige Stromversorgung ganzer Städte gefährdet.

Daher gelten strenge Sicherheitsanforderungen: Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) prüft die Sicherheit von Smart Metern. Die Behörde überwacht die Einhaltung der Sicherheitsvorgaben im Rahmen eines Zertifizierungsverfahrens.

In die Zertifizierung eingebunden sind verschiedene Verbände aus den Bereichen: Telekommunikation, Informationstechnik, Energie, Wohnungswirtschaft und Verbraucherschutz sowie der Bundesbeauftragte für den Datenschutz und die Informationsfreiheit, die Bundesnetzagentur sowie die Physikalisch-Technische Bundesanstalt.

 

Warum das Stromnetz erneuern? Zusammenfassung

Ohne ein intelligentes Stromnetz ist die Einbindung regenerativer Energien in das Stromnetz auf lange Sicht unmöglich. Das Smart Grid bietet darüber hinaus zahlreiche Vorteile:

Erneuerbare Energien einbinden: Immer mehr Stromerzeugung findet dezentral in kleinen und großen Photovoltaik- und Windkraftanlagen statt. Smart Grids ermöglichen eine Einbindung dieser externen Erzeuger.

Mehr Flexibilität ermöglichen: Stromverbrauch und Stromeinspeisung aus dezentralen Quellen funktionieren nur dank eines flexiblen Smart Grids. Die zentrale und teils automatisierte Koordinierung ermöglicht eine gute Abstimmung zwischen unregelmäßiger Erzeugung und schwankendem Verbrauch.

Nachhaltigkeit schaffen: Auf lange Sicht senken Smart Grids Kosten, die beim Umbau des Energiesystems anfallen. Das Ziel der intelligenten Steuerung ist eine möglichst geringe Verschwendung von Strom durch Überproduktion. Dadurch werden unter anderem CO2 -Emissionen reduziert.

Kosten für Unternehmen senken: Im Smart Grid wird Ihr Unternehmen selbst zum Stromerzeuger. Eine intelligente Nutzung dieses Stroms kann Ihnen helfen, Energiekosten zu senken.

 

Erzeugen Sie den Strom für Ihr Unternehmen teilweise oder komplett selbst? Oder beziehen Sie ihn ausschließlich aus dem Versorgungsnetz? Wir sind gespannt auf Ihren Kommentar.


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