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Intelligentes Stromnetz

Die heute verwendeten Stromnetze genügen in mancherlei Hinsicht nicht mehr rundum den heutigen Anforderungen. Dies hat mehrere verschiedene Gründe:

• Der Aufbau der Stromnetze ist zugeschnitten auf das bisherige zentralistische Konzept, eine Vielzahl von Verbrauchern zu versorgen mit einer relativ geringen Anzahl von Kraftwerken. Zunehmend sollen die Stromnetze jedoch Ökostrom aus vielen kleinen, teils in der Leistung schwankenden und bisher kaum zentral steuerbaren Stromerzeugern aufnehmen. Das Angebot an elektrischer Energie wird also stärker schwankend und schwieriger zu beeinflussen. Dies führt zu einer stärker veränderlichen Residuallast für die steuerbaren Kraftwerke.
• Der gesamte Stromverbrauch in Industrieländern und Schwellenländern ist sehr stark gestiegen, und die punktuelle Anpassung der Netze daran hat zu nicht mehr optimalen Strukturen geführt.
• Die verwendete Technologie ist teils sehr alt, nicht mehr auf dem heutigen Stand der Technik.
• Auf Verbraucherseite werden durch moderne Technik neue Methoden des Lastmanagements möglich. In den bisherigen Netzen sind diese neuen Methoden jedoch kaum nutzbar.

Aus diesen Gründen wird angestrebt, die Stromnetze schrittweise zu verbessern in Richtung zu "intelligenten Stromnetzen" (engl. "smart grids"). Hierbei bezieht sich das Adjektiv "intelligent" auf eine raffinierte Feinsteuerung – im Gegensatz zu dem ebenfalls denkbaren Ansatz, das alte System einfach durch Verstärkung von Kraftwerks- und Leitungskapazitäten betriebsfähig zu halten. Im Kern geht es einerseits um eine verbesserte Koordination der Stromerzeugung unter Einbezug auch vieler kleiner Erzeuger, und andererseits um ein wesentlich umfangreicheres Lastmanagement (also die Steuerung des Verbrauchs). Einige grundlegende Technologien und Prinzipien – etwa die Verwendung von Drehstrom, Transformatoren, Hochspannungsleitungen, etc. – werden hiermit weiter genutzt werden, obwohl heute z. B. ein Übergang zu einer Gleichstrom-Versorgung im Prinzip erhebliche Vorteile bringen könnte. Es ist jedoch nicht praktikabel, die gesamte Infrastruktur komplett zu ersetzen.

Man beachte, dass das "intelligente Stromnetz" ein erst im Entstehen begriffenes Konzept ist. In diesem Stadium sind viele Details noch nicht festgelegt. Die Erprobung einzelner Techniken hat an verschiedenen Orten begonnen, aber für viele Ansätze ist heute noch nicht klar, ob oder wie genau sie zukünftig breit eingesetzt werden können.

Erhoffte Vorteile intelligenter Stromnetze

Folgende vorteilhafte Eigenschaften intelligenter Stromnetze werden angestrebt:

• Neue Stromerzeuger, insbesondere auf Basis erneuerbarer Energien wie Windenergie und Sonnenenergie, sollen möglichst gut in die Netze integriert werden. Sie sollen mit Vorrang Energie einspeisen können, da ihre variablen Kosten (anders als die Installationskosten) besonders niedrig sind.
• Die für die Versorgung benötigten teuren Elemente der Infrastruktur – beispielsweise Spitzenlastkraftwerke und Hochspannungsleitungen – sollen möglichst wenig benötigt und möglichst effizient eingesetzt werden. Beispielsweise sollten Stromleitungen möglichst gleichmäßig ausgelastet werden, und soweit möglich sollte der Verbrauch dem Angebot an zeitlich schwankender erneuerbarer Stromproduktion folgen.
• Nach Möglichkeit soll auch die allgemeine Energieeffizienz erhöht werden.
• Das Netz soll eine hohe Betriebssicherheit auch unter ungünstigen Bedingungen erreichen. Die Betriebssicherheit soll auch möglichst wenig durch böswillige Eingriffe (Sabotage, etwa motiviert durch politische Spannungen) tangiert werden können.

Elemente von intelligenten Stromnetzen

Eine wesentliche Rolle spielt das verbesserte Lastmanagement. Während bisher nur größere Verbraucher mit Leistungen von meist über 10 kW über Rundsteueranlagen einbezogen wurden (etwa Elektroheizungen, Elektrowärmepumpen und industrielle Anlagen), sollen zukünftig viele kleinere Verbraucher (z. B. Waschmaschinen, Kühl- und Gefriergeräte) zusätzlich für das Lastmanagement genutzt werden. Hier wird eine automatische Steuerung nötig sein. Beispielsweise könnten Kühl- und Gefriergeräte die momentane Netzauslastung per Internet oder durch genaue Messung der Netzfrequenz ermitteln und die Solltemperaturen des Thermostaten dementsprechend etwas variieren. Diese Geräte würden also etwas stärker kühlen, wenn gerade ein geringer Strombedarf besteht, um in Zeiten höheren Bedarfs den Verbrauch zu senken.

Wenn Elektroautos einmal breit eingesetzt werden, bieten sich deren Batterien als Energiespeicher auch für das Lastmanagement an: Die Batterien könnten bevorzugt zu Zeiten geringen Strombedarfs geladen werden. Es ist sogar denkbar, in Zeiten besonders hohen Bedarfs Energie aus den Batterien ins Netz zurückspeisen zu lassen (ohne aber den Ladestand zu niedrig fallen zu lassen, was die Benutzbarkeit des Autos beeinträchtigen würde).

Den Energieversorgungsunternehmen würde die Steuerung ihrer Anlagen erleichtert, wenn sie die Entwicklung des Verbrauchs genauer erfassen könnten. Hierzu könnten "intelligente Stromzähler" dienen, die in kurzen Zeitintervallen den Verbrauch automatisch melden könnten. (Es ist freilich unklar, ob dies unbedingt auf der Ebene einzelner Haushalte geschehen müsste.)

Gleichzeitig könnten über "intelligente Stromzähler" zeitabhängige Stromtarife (und nicht nur mit im Voraus festgelegten Tarifzeiten) eingeführt werden. Diese könnten die Verlegung von Verbrauchsanteilen in Schwachlastzeiten oder die Kappung von Spitzenlasten (peak shaving) fördern, indem sie dies finanziell belohnen.

Viele kleinere Stromerzeuger könnten sich besser am aktuellen Strombedarf orientieren, wenn sie entsprechende Informationen z. B. von den Netzbetreibern erhielten. Beispielsweise könnten im Grundsatz wärmegeführt arbeitende Blockheizkraftwerke mehr Spitzenlast erzeugen und im Moment nicht benötigte Wärme in Pufferspeichern lagern. Bisher fehlt den Betreibern solcher Anlagen in der Regel sowohl die nötige Information als auch der finanzielle Anreiz für eine solche Betriebsweise.

Probleme und Herausforderungen

Diverse Probleme sind bei der Entwicklung intelligenter Stromnetze noch zu lösen:

• Die Kosten müssen in einem sinnvollen Verhältnis zum Ertrag stehen. Dieser Aspekt ist nicht immer einfach zu beurteilen, da hierfür die zukünftige Entwicklung des gesamten Stromversorgungssystems eine Rolle spielt. Beispielsweise würde ein umfangreiches Lastmanagement sehr wichtig, wenn fluktuierende Stromquellen einen immer größeren Anteil an der Erzeugung übernehmen sollen. Dagegen wird dieser Aspekt weniger wichtig für den Fall, dass effiziente und kostengünstige Energiespeicher entwickelt werden. Umgekehrt hängt deren Notwendigkeit stark vom Erfolg eines weitreichenden Lastmanagements ab. Eine weitere Unbekannte ist die zukünftige Verbreitung von Elektroautos, die ggf. das Lastmanagement wirksamer machen würden.
• Die Komplexität und Heterogenität eines solchen Systems könnte Überraschungen bergen, etwa auch im Hinblick auf die Verwundbarkeit durch böswillige Angriffe.
• Der Datenschutz könnte gefährdet sein, wenn beispielsweise die Art der Nutzung von zeitnahen Verbrauchsdaten nicht zuverlässig geregelt wird. (Man beachte, dass z. B. das zeitliche Verbrauchsmuster eines Haushalts darüber Aufschluss gibt, wann die Personen aufstehen, wann sie zu Hause sind, etc.)
• Eine weitreichende mindestens europaweite Normung und Standardisierung wird notwendig sein. Etliche bisherige Pilotversuche, die sich noch nicht an existierenden Standards orientieren können, müssten später ggf. aufwendig angepasst werden.

Aus diesen Gründen ist mit schnellen Schritten hin zu einem essenziell "intelligenten Stromnetz" kaum zu rechnen. Längerfristig dagegen könnten durchaus Fortschritte erzielt werden, die wesentliche Kosteneinsparungen und Gewinne an Energieeffizienz bringen.

Siehe auch: Stromnetz, Lastmanagement, Spitzenlast, Stromtarif