COMPASS MAGAZINE #10
COMPASS MAGAZINE #10

INTELLIGENTE STROMNETZE Online-Steuerung macht Elektrizität von der Erzeugung bis zum Verbrauch effizienter

Das Smart Grid, ein intelligentes Stromnetz, das Strom aus diversen Quellen mit neu aufkommenden internetbasierten Steuerungstechnologien vereint, verspricht Verbesserungen bei Effizienz und für die Umwelt und gibt den Endabnehmern mehr Informationen und Kontrolle über ihren Stromverbrauch.

An sonnigen Sommertagen verlassen die Menschen entlang der Mittelmeerküste meist ihre Häuser, um zur Arbeit zu gehen oder ihre Zeit draußen zu genießen, während die Solarmodule auf ihren Dächern Strom erzeugen, den keiner braucht. Ein solches Szenario kann zu Überspannungen führen, hilft aber auch, intelligente Stromnetze, die sogenannten Smart Grids, zu verstehen. 

Es geht darum, Strom zu überdenken – und zwar wie man ihn erzeugt, misst, zu Geld macht, verbraucht, steuert, speichert, handelt, überträgt und umsetzt. Ein Stromnetz ist dann „intelligent“, wenn es mittels Software, Sensoren, elektronischen Messgeräten und dem Internet dafür sorgt, dass Stromangebot und -nachfrage effizienter geregelt werden können.

In der französischen Gemeinde Carros am Mittelmeer in der Nähe von Nizza haben die Planer gemeinsam mit rund 200 Einwohnern und einem Dutzend Unternehmen Europas erstes digitales und intelligentes Stromnetz namens Nice Grid eingerichtet, das Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) und Stromspeicher in das landesweite Stromnetz integriert.

Herzstück dieses Projekts ist das Network Energy Management (NEM), ein einzigartiges „Gehirn hinter dem Netz“, sagt Laurent Schmitt, Vice President von Smart Grid Solutions bei Alstom Grid, einem globalen Energieunternehmen, das weltweit über 30 Smart-Grid-Projekte betreut, darunter auch Nice Grid.

„Wir haben uns auf die Integration von Energiespeichern, die dezentrale Erzeugung und den Transport konzentriert“, sagt Schmitt. „Auch Elektrofahrzeuge sind Bestandteil der Speicherlösung. Plug-in-Hybridfahrzeuge können in Notsituationen Strom in das Netz einspeisen.“

Das NEM ist so leistungsstark, weil es die Daten aus Solarproduktion und solarer Last sammelt, Vorhersagen trifft, regionale Entlastungen einbezieht, Netzengpässe und Überspannungs-risiken berechnet, den Versorger über erforderliche Anpassungen informiert, die optimale Nachfragereaktion und Flexibilität der Stromspeicherung errechnet, Zeitpläne übermittelt und Zyklen aktiviert.

Demonstrationsprojekte wie das NEM sind wichtig, damit Staaten ihre Ziele im Bereich erneuerbare Energien erreichen können. Zwar speisen Solar- und Windkraft Strom ohne Umweltverschmutzung ein, doch sie erzeugen auch außergewöhnliche Ereignisse, wie Spannungsspitzen, die Haushaltsgeräte zerstören können. Das Smart Grid muss die Höhen, Tiefen und saisonalen Schwankungen dieser oft unbeständigen Energiequellen ausgleichen.

Die Entwicklung von Smart Grids verläuft weltweit recht unterschiedlich. In Europa werden sie beispielsweise von der Politik gefordert, sagt Schmitt. In den USA liegt die treibende Kraft in den veralteten Netzen. In Südostasien möchten die Planer abgelegene Gebiete mit Strom versorgen. 

GRID4EU

Das Projekt Nice Grid ist eines von sechs Demonstrationsprojekten der Initiative Grid4EU, in deren Rahmen die technischen und sozialen Aspekte eines zuverlässigen, belastbaren Smart Grids untersucht werden sollen.

„Wir testen derzeit die Realisierbarkeit eines Zentralrechners, der Netzberechnungen überwachen und Lastanforderungen vorhersagen, Spannungsbeschränkungen antizipieren und Informationen an die Aggregate senden kann, wenn die Lasten anders verteilt werden müssen“, sagt Christophe Arnoult, Projektmanager beim französischen Staatsunternehmen Électricité Réseau Distribution France (ERDF). „Wir müssen uns auf die Kunden und deren Verhalten verlassen“, sagt Arnoult. „Wir stellen ihnen iPads zur Verfügung, damit sie ihren Verbrauch überwachen.“

In Nizza demonstrieren die Bewohner und Planer drei Betriebsmodi mit dem Ziel, die Netzzuverlässigkeit durch Bedarfsmanagement zu verbessern, Spannungsspitzen durch Stromumverteilung zu reduzieren und mit Micro-Grid-Insellösungen zu experimentieren, die mittels Speichertechnologien über-schüssigen Strom so lange speichern, bis er benötigt wird.

Für maximale Flexibilität wurden drei Energiespeicherebenen in das lokale Solarstromnetz integriert. Ein zentraler 1-MW-Akku, der 560 kWh für rund 30 Minuten speichern kann, befindet sich zwischen der Hochspannungsleitung zur Region und den Verteilungsleitungen zur Stadt. Eine zweite Speicherebene befindet sich in den Häusern, die eine 3-kW-PV-Anlage und Akkus mit einer Kapazität von 4 kW/4 kWh besitzen, die überschüssige Energie bei Überspannung aufnehmen. Die dritte Ebene besteht aus Akkus mit einer Kapazität von 33 kW/100 kWh sowie 250 kWh auf drei Industriegrundstücken, die mit PV-Anlagen ausgestattet sind. 

Milliarden US-Dollar

Die Investitionen in Micro-Grids im asiatisch-pazifischen Raum werden bis 2023 insgesamt 30 Milliarden US-Dollar betragen.

In Kombination werden die Akkus für den Lastabwurf (Stromabschaltung für bestimmte Nutzer, wenn die Nachfrage das Angebot übersteigt) und den Insel- betrieb verwendet, womit das gesamte Nice Grid von der Hochspannungsleitung abgekoppelt werden kann.

„Alle Daten werden über intelligente Zähler (Smart Meter), die mit dem Zentralrechner verbunden sind, an die Wohn- und Geschäftshäuser bis hin an die einzelnen Geräte gesendet“, sagt Arnoult. Das Projekt, das Ende 2015 beendet sein wird, ist auf die Mitarbeit der Bewohner angewiesen.

„Im Winter werden die Verbraucher gebeten, ihren Bedarf anzupassen“, sagt Arnoult. „Im Sommer wird auf den Dächern zu viel Solarstrom erzeugt und nicht genug davon verbraucht, weshalb die Spannung zu hoch steigt. Wir müssen darum Lastmodelle vorhersagen, und der Zentralcomputer muss diese Daten an die Aggregate senden, damit dort die Lasten umverteilt werden. Das ist nur der erste Schritt, aber es funktioniert wie ein Uhrwerk.“

Ähnliche Teststandorte von Grid4EU in Deutschland, Schweden, Spanien, Italien und der Tschechischen Republik testen Lösungen für andere betriebliche Fragen hinsichtlich intelligenter Überwachung, moderner Steuerung, erneuerbarer Energien und der Integration von Elektrofahrzeugen in das Netz. 

ASIEN-PAZIFIK: MICRO-GRIDS FÜR ENTLEGENE REGIONEN

Acht Kilometer vor der Küste Singapurs liegt die Insel Semakau, die hauptsächlich als Deponie für die Asche aus den vier Müllverbrennungsanlagen des Stadtstaates dient. Dort unter der Äquatorsonne wird der erste Bauabschnitt des größten hybriden Micro-Grids in den Tropen errichtet.

Das Projekt mit dem Namen Renewable Energy Integration Demonstrator-Singapore (REIDS) ist ein Testfeld für die Kombination von Solar-, Wind-, Gezeiten-, Diesel-, Speicher- und Power-to-Gas-Technologien speziell für die einzigartigen klimatischen Bedingungen in der Region. Ziel ist es, Technologien für die Bewohner von Gebieten zu entwickeln, die außerhalb der Reichweite herkömmlicher Stromnetze liegen.

„Südostasien hat über 600 Millionen Einwohner, von denen ein Drittel in Gegen-den lebt, die keinen Strom haben“, sagt Chee Kiong Goh, Leiter des Singapore Economic Development Board (SEDB). „Das ist eine Riesenchance für Micro-Grids.“

Laut einer Studie aus dem Jahr 2014 von Navigant Research, einem Markt- forschungs- und Beratungsunternehmen aus Boulder, Colorado, sollen die Investi-tionen in Micro-Grids im asiatisch-pazifischen Raum bis 2023 insgesamt 30 Milliarden US-Dollar betragen. Während Singapur die Region bei der Entwicklung von Micro-Grids für ländliche Gegenden anführt, lässt der Staat auch enorm viel Geld in seine städtische Smart-Grid- Infrastruktur fließen. Nach Berechnungen von Analysten ist Singapur durch diese Investitionen neben China weltweit führend auf dem Gebiet. 

„ALLE DATEN WERDEN ÜBER INTELLIGENTE ZÄHLER (SMART METER), DIE MIT DEM ZENTRALRECHNER VERBUNDEN SIND, AN DIE WOHN- UND GESCHÄFTSHÄUSER BIS HIN AN DIE EINZELNEN GERÄTE GESENDET.“

CHRISTOPHE ARNOULT PROJEKTMANAGER, ÉLECTRICITÉ RÉSEAU DISTRIBUTION France

China hat 2013 erstmalig mehr für Smart-Grids ausgegeben als die USA, so das Marktinformationsunternehmen Northeast Group aus Washington, DC. Das Unternehmen prognostiziert, dass sich der Investitionszuwachs in Smart- Grid-Technologie innerhalb des nächsten Jahrzehnts von den traditionell führenden Regionen - USA und Europa - auf die wachsenden Volkswirtschaften in Südostasien, insbesondere Thailand, Indonesien, Malaysia, die Philippinen und Singapur, verlagern wird.

Ironischerweise war Singapur nach Aussage von Goh bis vor Kurzem kein starker Verfechter der Sonnenenergie, bis die Preise für Solaranlagen so stark fielen, dass sich eine „Netzparität“ mit den konventionellen Brennstoffen für die Stromerzeugung einstellte. „Die große Frage lautet, wie sich Smart-Grid- Technologie zur Überwachung des Stromnetzes nutzen lässt“, sagt Goh. „Singapur ist das Sprungbrett für die ganze Region, um die Machbarkeit zu testen und zu beweisen. Es ist eine lebende Versuchsanstalt.“ 

CYBERSICHERHEIT: IST DAS SMART GRID EINE DUMME IDEE?

Viele Sicherheitsexperten befürchten jedoch, dass die internetbasierte Steuerung des Smart Grids zu leicht gehackt werden kann und zu schwer zu sichern ist. Ein Smart Meter ist schließlich auch nur ein Computer, der mit dem Internet verbunden ist.

„Wir sehen darin eine massive Bedrohung“, sagt Goh. „Ich glaube, die Sicherheitsgefahr ist sehr real. Bei der Netzplanung wird die Cybersicherheit eine große Rolle spielen.“

Am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen arbeitet der Physiker Benjamin Schäfer an der Architektur solcher Smart Grids und wie diese geschützt werden können. Die vorherrschende Idee beinhaltet, dass alle Daten über den Strom, der von den Generatoren erzeugt und von den Verbrauchern genutzt wird, in einem Zentralrechner gespeichert werden (ähnlich wie beim Projekt Nice Grid). Diese Zentralisierung vereinfacht zwar das Management, könnte aber ein unwiderstehliches Ziel für Hacker sein. 

Doch was, wenn keine zentrale Steuerung erforderlich wäre? Schäfer und sein Team untersuchen, ob eine dezentrale Steuerung (einschließlich einer dezentralen Stromerzeugung) weniger angreifbar wäre. Könnte ein Smart Grid effizient funktionieren, wenn die Steuerung durch individuelle Smart Meter erfolgt? Würde das Netz ohne zentrales Steuersystem stabil bleiben? Schäfers Team untersucht diese Theorie, während Anlagenplaner in aller Welt an anderen Ideen zur Erhöhung der Sicherheit arbeiten.

Cybersicherheit sei laut Schmitt auch der Grund, warum das Demonstrationsprojekt Nice Grid als „mehrschichtiges Steuersystem“ geplant wurde und über NEM gesteuert wird.

KONTROLLE UND STÄRKERES BEWUSSTSEIN 

Lynn Yanyo, Polymerwissenschaftlerin und selbsternannte Technologieverrückte, die neue Unternehmen in ihrer Startphase unterstützt, glaubt trotz aller Bedenken von Smart-Grid-Kritikern an diese Netze. Sie sagt, die Solaranlage auf ihrem Haus in North Carolina decke ganzjährig rund 70% bis 80% ihres Strombedarfs.

„Ich habe ein cooles internetbasiertes Tool, das mir jederzeit anzeigt, wie viel Strom meine Module gerade erzeugen und wie viel es in der Vergangenheit war“, sagt sie. „Ich kann auch sehen, welche Geräte gerade in Betrieb sind und wo der meiste Strom verbraucht wird. Das zu beobachten, macht richtig Spaß. Und ich merke, dass ich Geräte häufiger abschalte als früher, aber ich kontrolliere das nicht täglich.“

An einem kalten, trüben Februartag stand Eric Larson, studierter Sohn eines Papiermühlenarbeiters und Vater von drei Kindern, in der Küche und las auf seinem Laptop den Bericht über die Stromerzeugung. Dass er sich für den Einbau von Solarmodulen auf der Südseite seines Hauses in Raleigh, North Carolina, entschied, hatte keine ökologischen Gründe. Aber dies getan zu haben und zu beobachten, wie viel Strom er erzeugt, habe seine Ein- stellung zu Energie verändert, sagt er.

„Durch diese Module wird mir bewusster, was wir verbrauchen“, sagt Larson. An diesem grauen Tag produzierten seine 18 Solarmodule z.B. nur 3 Kilowatt. Doch durchschnittlich sind es 18 bis 20 Kilowatt pro Tag und damit ungefähr so viel, wie er täglich verbraucht. „Ich spare Stromkosten und der Wert meines Hauses steigt dadurch. Und es ist eine coole Sache. Ich bin der einzige in diesem Viertel, der so etwas hat, und es passen noch neun weitere Module aufs Dach.“

Sich dessen bewusst zu sein, ist entscheidend. „Kontrolle und stärkeres Bewusstsein; darüber diskutieren wir aktiv mit unseren Kunden“, sagt Karl Stupkay, Betriebsleiter bei NC Solar Now, North Carolina, der Solarmodule auf Wohn-und Geschäftshäusern installiert. „Man ist verpflichtet, darauf zu achten. Dies ist ein Bereich, der sich stetig verändert, und ein spannendes Arbeitsumfeld. Es ist ein mächtiges Thema, an dem ich da beteiligt bin, und ich sehe meine berufliche Zukunft in dieser Branche.“

von Dan Headrick Zurück zum Seitenbeginn