Energieversorgung Was macht das Stromnetz von morgen intelligent?

Wenn die elektrische Energieversorgung zu einem großen Teil mit erneuerbaren Energiequellen erfolgen soll, schwankt das Energieangebot abhängig von der Windstärke oder der Sonneneinstrahlung. Das alte, von Großkraftwerken ausgehende Stromnetz kann mit solchen Angebotsschwankungen nicht umgehen. Deshalb soll ein intelligentes Stromnetz – Smart Grid – die effiziente Steuerung von Angebot und Nachfrage ermöglichen.

Intelligente Stromnetze, auch »Smart Grids« genannt, sind mit Visionen, Anforderungen, Pilotund Forschungsprojekten in aller Munde. In Deutschland erklärte 2007 die Bundeskanzlerin Angela Merkel das mit 140 Mio. Euro ausgestattete Projekt »E-Energy« zum »Leuchtturmprojekt«. Bei E-Energy sollen eine umfassende digitale Vernetzung sowie die computerbasierte Kontrolle und Steuerung des Gesamtsystems »Energieversorgung« dafür sorgen, dass in Zukunft die energiepolitischen Ziele sicher erreicht werden – mit den drei Eckpunkten: höhere Versorgungs-Sicherheit, höhere Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit.

Dabei scheint eines sicher: Auch für diese technische Revolution werden wieder einmal Halbleiter-Bauelemente eine Schlüsselrolle einnehmen und intelligente Stromnetze überhaupt erst ermöglichen. In fast allen Teilaspekten wie bei den intelligenten Elektrizitätszählern, bei der Kommunikation über Powerline oder Funk, bei der Datenverarbeitung, dem Verbraucherschutz und bei der Datensicherheit spielen Halbleiter-Bauelemente eine entschiedene Rolle.

Heute ist das Stromnetz vor allem für die unidirektionale Übertragung von Strom, oder genauer gesagt von elektrischer Energie ausgelegt. Dabei werden von den Energieversorgungsunternehmen (EVUs) heute meist zentrale Großkraftwerke genutzt – Kohle-, Atom- und Wasserkraftwerke. Nur letztere Quellen zählen zu den erneuerbaren Energien und gehen somit nicht irgendwann einmal zu Ende. In den letzen Jahren wurde die Nutzung dezentraler erneuerbarer Energien weiter ausgebaut – vor allem Photovoltaik und Windkraft. Diese stellen allerdings heute noch einen sehr geringen Anteil an der Gesamt-Energieerzeugung. Die erzeugte elektrische Energie wird dann über Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetz zum Endverbraucher transportiert. Wie der Energiefluss genau aussieht, ist nur teilweise bekannt – je näher man dem Endverbraucher kommt, desto weniger Information steht zur Verfügung.

So wird in deutschen Haushalten bis dato gerade einmal pro Jahr der Zähler abgelesen und der »Verbrauch« folglich nur als Jahresdurchschnittswert erfasst. Die momentane Energieaufnahme, Energieprofile und Maximallasten lassen sich heute weder ermitteln noch vorhersagen. Dies hat zur Folge, dass die Kapazität des Stromnetzes nicht entsprechend dem tatsächlichen Bedarf dimensioniert werden konnte – entweder teure Überkapazitäten, z.B. in Europa, oder Netzzusammenbrüche, so genannte »Blackouts«, z.B. in den USA.

Das intelligente Stromnetz der Zukunft (Bild 1) soll hier Abhilfe schaffen und statt eines unidirektionalen Energieflusses einen bidirektionalen Fluss von Energie und Information ermöglichen. Die Europäische Kommission befasst sich in einer Vielzahl von Forschungs- und Arbeitsgruppen mit diesem Thema und stellt einige Ergebnisse auf einer eigenen Internetseite [1] zur Verfügung. Angebot und Nachfrage von elektrischer Energie sollen in Zukunft auf allen Ebenen über den Austausch von Echtzeit-Information vernetzt werden und damit deutlich besser aufeinander abgestimmt werden können. Idealerweise kann dies an einem freien Markt über die Anpassung des Preises erfolgen.

Dies wird um so wichtiger werden, je mehr regenerative Energie aus Windkraft- oder Photovoltaik-Anlagen in das Netz eingespeist wird, da diese Kraftwerke meistens nicht konstant einspeisen, sondern ihre Leistung von der Windstärke oder der Sonneneinstrahlung abhängt. Auf der Verbraucherseite ist die Energieaufnahme zudem ohnehin schon stark schwankend, da im Haushalt z.B. nachts weniger elektrische Energie benötigt wird als morgens und mittags. Mit der Einführung von Elektroautos, die dann vorwiegend abends an den Ladestationen stehen werden, wird sich dieser Bedarfszyklus verändern.

Um diesen Herausforderungen zu entgegnen, müssen sich in Zukunft Stromerzeugung und Verbraucherverhalten grundlegend ändern. Auf der Erzeugerseite ist ein klarer Trend hin zu mehr dezentralen Kraftwerken vorhanden. Dies hat einen entscheidenden Vorteil: Transportverluste, die im heutigen Netz einen hohen Anteil der Gesamt- Energieerzeugung auffressen, werden deutlich geringer. Dieser Dezentralisierungstrend kann sogar so weit gehen, dass die Energie genau dort »erzeugt« wird, wo Sie auch benötigt wird. Mit so genanntem »Energy Harvesting«-Techniken, also der Ernte von Energie aus der Umgebung, kann man schon heute moderne Niedrigenergie-Halbleiter und Elektronikkomponenten versorgen.