Smart Grid – wie intelligente Stromnetze die Energiewende möglich machen

Wie ist der Status Quo im Stromnetz?

Um den aktuellen Stand der Technik zu betrachten, hilft es zu verstehen, wie unser Netz entstanden ist. Vor dem Aufkommen erneuerbarer Energien war der Stromfluss im Netz linear und zentral organisiert. Große konventionelle Kraftwerke produzierten den Strom und speisten ihn auf der Übertragungsebene (Höchstspannungsebene) ein. Von dort floss der Strom über verschiedene Spannungsebenen der sogenannten Verteilnetze hinab, bis er schließlich die Niederspannungsebene (z.B. für Haushalte) erreichte.

Die Verteilnetze wurden damals oft überdimensioniert gebaut: sie wurden also auf eine wesentlich höhere Leistungsfähigkeit ausgelegt – mit dickeren Leitungen und Transformatoren mit hoher Kapazität –, als im Normalbetrieb notwendig war, um die Versorgungssicherheit auch in außergewöhnlichen Situationen zu gewährleisten.

Da der Stromfluss unidirektional war, also nur in eine Richtung verlief, waren in den unteren Spannungsebenen der Verteilnetze nur wenig Messtechnik und ausgeklügelte Steuerung notwendig.

Mit dem Jahr 2000 und dem Inkrafttreten des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) änderte sich diese Struktur grundlegend. Die EEG-Umlage hat der Wind- und Sonnenenergie zum Markteintritt verholfen und dadurch bewirkt, dass sich der Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttostromverbrauch in Deutschland innerhalb recht kurzer Zeit versechsfachte.

Durch die Energiewende wurde das Netzsystem deutlich komplexer. Die Erzeugung ist zunehmend dezentral, insbesondere durch den Ausbau von:

• Photovoltaikanlagen
• Windkraftanlagen
• Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) – Anlagen

Die erneuerbaren Energien sind zudem volatil – das bedeutet, dass Last- und Erzeugungsschwankungen jetzt stärker und unregelmäßiger variieren als früher.

Darüber hinaus speisen heute viele kleine Erzeuger auf niedrigeren Spannungsebenen direkt in die Verteilnetze ein, wodurch der Strom nun teilweise auch „rückwärts“ fließen kann – etwa zwischen den Spannungsebenen.

Um die dabei entstehenden Spannungsprobleme im Netz zu lösen, gibt es verschiedene “smarte” Ansätze:

1. Dickere Leitungen: Die Straße könnte aufgerissen und durch dickere Kabel mit geringerem Widerstand ersetzt werden, was allerdings hohe Kosten verursacht.
2. Regelbare Transformatoren: Ein sogenannter regelbarer Ortsnetztransformator (RONT) könnte die Ausgangsspannung automatisch anpassen, je nach Bedarf.
3. Intelligente Steuerungen: Haushalte könnten über vernetzte Batteriespeicher und flexible Ladezeiten für Elektroautos die Netzauslastung optimieren. Dabei helfen oft Künstliche Intelligenz und variable Stromtarife, um Strom kostengünstiger und netzschonend zu verbrauchen.

Da immer mehr Strom dezentral durch erneuerbare Energien produziert und gleichzeitig (auch durch den Trend hin zur E-Mobilität) verbraucht wird, werden die Themen Netztransparenz, Lastenausgleich  und Lastflusssteuerung  immer wichtiger.

Im Bild sehen Sie das Smart Grid als kommunikative Anbindung der Akteure des Energieversorgungsnetzes, von der Erzeugung über den Transport, die Speicherung und die Verteilung bis hin zum Verbrauch:

Quo vadis Smart Grid?

Um mehr Netztransparenz zu schaffen – also ein besseres Verständnis dafür, was im Netz, besonders auf der Verteilnetzebene, passiert – benötigen wir mehr Daten. In diesem Kontext spielen Smart Meter eine zentrale Rolle.

Ein Smart Meter ist ein intelligenter Stromzähler mit direkter Kommunikationsschnittstelle, der Messwerte in definierten Intervallen übertragen kann. Künftig kann ein Smart Meter nicht nur den verbrauchten Strom, also die Leistung, sondern auch andere Netz-Zustandsgrößen wie die Spannung erfassen.

Während in knapp der Hälfte aller EU-Länder über 80 % Haushalte mit Smart Metern ausgestattet sind, ist die Durchdringungsrate in Deutschland noch deutlich geringer, da der Smart Meter Rollout anfangs auf große Herausforderungen gestoßen ist. Seit April 2023 und der Verabschiedung des Gesetzes zum Neustart der Digitalisierung der Energiewende (GNDEW), hat der Rollout wieder an Fahrt aufgenommen.

Die Datenerfassung bildet das Fundament des Smart-Grid-Konzepts. Neben den Smart Metern ist daher die Ausstattung der Netze und ihrer Anlagen mit Sensoren und Kommunikationstechnologien entscheidend.

Darüber hinaus benötigen Netzbetreiber intelligente Werkzeuge, um all diese Daten sinnvoll zu nutzen. Informationen, so reichhaltig sie auch sein mögen, sind wenig nützlich, wenn sie isoliert in Silos bleiben.

Daher gelten digitale Zwillinge des Netzes als zentraler Baustein für Smart Grids, insbesondere auf der Verteilnetzebene. Netz-Digitalzwillinge helfen, Prozess- und Topologiedaten zu kombinieren und die gewonnenen Erkenntnisse in den richtigen Kontext zu setzen. Im Vergleich zu herkömmlichen Simulationen aktualisieren sie sich dynamisch und reagieren in Echtzeit auf verschiedene Netzereignisse.

Der Digitale Zwilling ermöglicht somit nicht nur eine hohe Transparenz der Ist-Situation im Netz, sondern auch eine wesentlich präzisere Grundlage für Netzsimulationen und alle Prozesse rund um die Zielnetzplanung.

Gesetzliche Vorgaben fördern Smart Grids – Deutschland als Vorreiter in der EU?

Mit dem „Gesetz zur Neuregelung energiewirtschaftlicher Vorschriften“, Paragraph 14a im Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) wurden laut der Gesetzesbegründung erste Voraussetzungen für intelligente Netze (Smart Grids) schaffen.

Auch die Einführung des § 14d EnWG schafft einen neuen Rahmen für die digitale und vorausschauende Netzausbauplanung. Diese gesetzlichen Anforderungen zielen darauf ab, Verteilnetzbetreiber (VNBs) in die Lage zu versetzen, ihre Netze proaktiv an die zukünftigen Herausforderungen der Energiewende anzupassen und gleichzeitig die Netzstabilität zu sichern.

Es sieht aktuell so aus, als ob die Netzbetreiber nicht nur in Deutschland, sondern auch europaweit, an dem Thema Steuerung der Verbraucher und Erzeuger nicht vorbeikommen werden. Immer mehr Energieexperten sehen Flexibilität – unter anderem auch die netzorientierte Flexibilität – als eine wichtige Maßnahme, um Netzüberlastungen vorzubeugen (siehe z.B. Eurelectric-Bericht vom September 2023 „Keys to delivering capacity on the distribution grid“).

In diesem Sinne hat Deutschland nun die Gelegenheit, für andere EU-Länder als Vorbild für die erfolgreiche Umsetzung der netzorientierten Steuerung zu dienen.

Fazit: Warum sind Smart Grids so wichtig in Zukunft?

Ein intelligentes, dezentrales und flexibles Energiesystem ist entscheidend, um den Herausforderungen des Klimawandels zu begegnen. Smart Grids ermöglichen es, erneuerbare Energien effizienter ins Netz zu integrieren und die Versorgungssicherheit zu erhöhen. Durch eine optimierte Verteilung der Energie kann nicht nur den CO₂-Ausstoß reduziert, sondern auch der Weg zu einer klimaneutralen Zukunft beschleunigt werden. Eine schnelle Umsetzung dieser Technologien ist unerlässlich, um den Übergang zu einem nachhaltigen Energiesystem sicherzustellen und langfristig unsere Umwelt zu schützen.

Diese Vision eines dezentralen Energiesystems fördert zudem die Integration von Verbrauchern, die nicht nur Energie beziehen, sondern aktiv am Markt teilnehmen können. Durch digitale Plattformen können Haushalte ihren überschüssigen Strom zu bestimmten Zeiten verkaufen oder Energie zu günstigen Preisen kaufen. Dies führt zu einer „Prosumergesellschaft“, in der Konsumenten (Verbraucher) auch zu Produzenten werden. Langfristig unterstützt diese Entwicklung die Resilienz des Energiesystems und macht es fit für die Herausforderungen einer nachhaltigen Zukunft mit hohen Anteilen erneuerbarer Energien.

FAQ rund um Smart Grid

Was ist das Konzept des Smart Grids?

Einfach gesagt, bezieht sich das Konzept des Smart Grids auf verschiedene Maßnahmen und Werkzeuge rund um das physische Stromnetz, die helfen, einen umfassenden Überblick über das Netz und sein Ökosystem zu gewinnen. So wird ein zuverlässiger Transport von Strom aus allen Erzeugungsquellen, sowohl zentral als auch dezentral, gewährleistet und ein bidirektionaler Stromfluss zwischen den Netzen und den Prosumenten ermöglicht.

Aus dieser Perspektive betrachtet, geht es beim „smart“-Element eher um verbesserte Methoden zur Datenerfassung, Kommunikation und Analyse als um eine erweiterte Intelligenz des Stromnetzes selbst. Es gibt auch andere Interpretationen des Smart-Grid-Konzepts. Die meisten davon beschreiben jedoch das Netz als eine unabhängige, autonome Einheit, die in der Lage ist, verschiedene Aktionen eigenständig durchzuführen – was derzeit noch nicht der Fall ist. Deshalb sollte man solche Interpretationen mit einer gewissen Vorsicht betrachten.

Warum benötigen Netzbetreiber intelligente Werkzeuge?

Mehrere Faktoren führen zu einem steigenden Bedarf an intelligenteren Netzen. Erstens wird das Netzökosystem zunehmend dichter und stärker vernetzt. Es geht nicht nur um die Netze und deren Anlagen, sondern auch um zahlreiche dezentrale Erzeugungs- und Verbrauchsquellen – Solaranlagen auf Dächern, Wärmepumpen, E-Ladesäulen usw. Um beispielsweise zu erkennen, wo Netzverstärkungs- oder -ausbaumaßnahmen am dringendsten erforderlich sind, ist es daher unerlässlich, ein vollständiges Bild des Netzes und aller Elemente, die dessen Zustand beeinflussen, zu haben.

Zweitens erfordern zunehmende Personalknappheit mehr Prozessautomatisierung und Transparenz im Netz, um Ressourcen freizusetzen, indem manuelle Aufgaben reduziert und die weniger erfahrene junge Generation von Netzbetreibern unterstützt wird. Dies ist nur durch einen höheren Digitalisierungsgrad des physischen Netzes und die Implementierung hochpräziser Stromnetzmodelle möglich, die in Echtzeit auf Veränderungen reagieren.

Was sind die häufigsten Anwendungsfälle für Smart Grids?

Insbesondere auf der Niederspannungsebene stellt die unzureichende Sichtbarkeit des Netzökosystems einen der größten limitierenden Faktoren für ein zuverlässiges Netzmanagement sowie für die operative und strategische Netzplanung dar. Da die Smart-Grid-Technologie eine ganzheitliche Sicht auf das gesamte Netz und seine Komponenten wie PV-Anlagen, Wärmepumpen, Wallboxen und E-Ladesäulen ermöglicht, reicht das Wertversprechen von Smart Grids von einer höheren Netzzuverlässigkeit über eine verbesserte Betriebseffizienz bis hin zur datenbasierten Netzentwicklung.

Insbesondere bei letzterem bietet ein besseres Verständnis dafür, wo Netzverstärkungs- und Modernisierungsmaßnahmen am dringendsten erforderlich sind oder wo Netzengpässe durch andere Maßnahmen verringert werden können, eine verlässliche Grundlage für die Investitionsplanung.

Wie unterscheidet sich ein Smart Grid vom herkömmlichen Stromnetz?

Ein herkömmliches Netz ist zentral organisiert und hat nur begrenzte Informationen über die Netzbelastung. Ein Smart Grid hingegen sammelt und analysiert kontinuierlich Daten über Erzeugung und Verbrauch und kann dadurch flexibler auf Schwankungen reagieren und Energie gezielt verteilen.

Welche Technologien werden in einem Smart Grid verwendet?

Smart Grids nutzen eine Vielzahl von Technologien, darunter:

• Smart Meter: Intelligente Zähler, die den Verbrauch in Echtzeit messen.
• Sensoren und Automatisierung: Erfassen und steuern Netzprozesse automatisch.
• Künstliche Intelligenz und Big Data: Optimieren die Energieverteilung und verbessern Vorhersagen für Energiebedarf und -produktion.
• Kommunikationsnetzwerke: Verbinden Geräte und Systeme, um Daten sicher zu übertragen.

Wie profitieren Verbraucher von einem Smart Grid?

Verbraucher können durch Smart Grids aktiver an der Energieversorgung teilnehmen, z. B. durch den Einsatz von Solarenergie und Batteriespeichern. Smart Grids ermöglichen auch flexible Tarife, sodass Verbraucher durch Anpassung ihres Verbrauchs zu Stoßzeiten Kosten sparen können.

Was ist der Unterschied zwischen Smart Grid und Smart Meter?

Ein Smart Meter ist ein Gerät, das den Energieverbrauch eines Haushalts oder Unternehmens in Echtzeit misst und die Daten an das Energieversorgungsunternehmen übermittelt. Ein Smart Grid hingegen ist das gesamte Netzwerk, das solche Geräte integriert und die Energieverteilung intelligent steuert.

Welche Herausforderungen bestehen bei der Implementierung von Smart Grids?

Zu den größten Herausforderungen zählen:

• Kosten für Infrastruktur: Die Installation und Wartung von Sensoren, Smart Metern und Kommunikationssystemen ist kostenintensiv.
• Datensicherheit und Datenschutz: Der Austausch und die Speicherung großer Datenmengen erfordern strenge Sicherheitsmaßnahmen.
• Regulatorische und politische Rahmenbedingungen: Diese müssen angepasst werden, um die Integration und den Betrieb von Smart Grids zu fördern.

Wie helfen Smart Grids bei der Netzstabilität?

Smart Grids können nahezu in Echtzeit erkennen, wo im Netz Überschüsse oder Defizite bestehen, und passen die Energieverteilung entsprechend an. Sie verhindern Spannungsschwankungen und können durch verteilte Batteriespeicher überschüssige Energie zwischenspeichern und bei Bedarf wieder abgeben.

Was ist ein virtueller Kraftwerksverbund im Kontext eines Smart Grids?

Virtuelle Kraftwerke vernetzen dezentrale Energiequellen, wie Photovoltaik- und Windkraftanlagen, Batteriespeicher und Notstromaggregate. Diese vernetzten Systeme wirken wie ein großes, flexibles Kraftwerk und können bei Bedarf Lastspitzen ausgleichen.

Wie werden Smart Grids finanziert?

Smart Grids werden oft durch öffentliche und private Investitionen sowie durch staatliche Förderprogramme finanziert. Auch Energieversorgungsunternehmen beteiligen sich an den Kosten, da Smart Grids langfristig Effizienzsteigerungen und Kosteneinsparungen ermöglichen.

Welche Rolle spielt Künstliche Intelligenz (KI) in Smart Grids?

KI-gestützte Lösungen in Smart Grids, wie maschinelles Lernen und Automatisierungstools, sind besonders nützlich, wenn es darum geht, die Energieverteilung zu optimieren, den Bedarf vorherzusagen oder Lasten anhand historischer Daten zu balancieren. Auch wenn diese Lösungen auf komplexen Algorithmen basieren, fehlt ihnen oft die autonome und anpassungsfähige Intelligenz, die man mit „echter KI“ verbinden würde. In diesem Sinne wird der Begriff „KI“ im Zusammenhang mit Smart Grids häufig recht großzügig verwendet wird.

Wie tragen Smart Grids zur Umweltfreundlichkeit bei?

Durch Smart Grids kann der CO₂-Ausstoß verringert werden, indem sie den Anteil erneuerbarer Energien erhöhen und den Energieverbrauch durch effiziente Verteilung und Steuerung senken. Sie reduzieren somit die Notwendigkeit fossiler Kraftwerke zur Deckung von Spitzenlasten.

Wie sieht die Zukunft der Smart Grids aus?

Die Weiterentwicklung wird durch die Integration von KI, fortschrittlichen Energiespeichern, Elektrofahrzeugen und der Schaffung von Energie-Communities geprägt. Künftig könnten Smart Grids Verbraucher, Erzeuger und Speicher in einem vollständig interaktiven Energiesystem vernetzen.

Smart Grids versprechen eine umweltfreundlichere, effiziente und nachhaltige Energieversorgung für die Zukunft.