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Smart Grid: Das intelligente Stromnetz

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Die klassische Struktur der Elektrizitätsversorgung wird durch ein integriertes Smart Grid abgelöst.
Ablösung der klassischen Struktur der Elektrizitätsversorgung durch Smart Grid. (Bildquelle: Andy Sotiriou/Photodisc/Thinkstock)

In der Vergangenheit waren Energieversorgungsnetze rein zentral strukturiert. Der Trend entwickelt sich derzeit jedoch immer mehr in Richtung dezentrale Erzeugungsanlagen. Die klassischen Strukturen werden zunehmend von einem "intelligenten Stromnetz" abgelöst, dem sogenannten Smart Grid.

Der Treiber für diesen Trend ist im Wesentlichen die zunehmende Einbindung dezentraler Energieerzeugungsanlagen. Ein intelligentes Stromnetz (engl. Smart Grid, Abbildung, Quelle: ABB, Telekom) beinhaltet:

  • die kommunikative Vernetzung und Steuerung von vorhandenen Stromerzeugungseinheiten,
  • Energiespeichern,
  • elektrischen Verbrauchern
  • und installierte Netzbetriebsmittel in Energieübertragungs-/-verteilungsnetzen der örtlichen Elektrizitätsversorgung.

Smart Grids ermöglichen eine technische Optimierung und Überwachung der vernetzten Energienetzkomponenten. Dabei ist es Ziel, die Energieversorgung auf Basis eines effizienten und zuverlässigen Systembetriebs des Netzes zu sichern.

Die Stromnetzstruktur wird komplexer

Historisch wurden Stromnetze mit einer rein zentralen Netzarchitektur aufgebaut. In jüngster Vergangenheit geht der Trend hin zu dezentralen Erzeugungsanlagen - bei der Erzeugung aus fossiler Primärenergie durch Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen und bei der Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen wie bei Windenergieanlagen, Photovoltaikanlagen, solarthermischen Kraftwerken, und Biogasanlagen.

Dieser Trend führt zu einer technisch komplexeren Netzstruktur. Primär im Bereich der elektrischen Lastregelung, der Spannungshaltung im Verteilnetz und zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Netzstabilität. Dezentrale Erzeugeranlagen mit geringerer Leistung speisen im Gegensatz zu größeren Kraftwerken auch direkt in die unteren Spannungsebenen, d.h. auf Niederspannungs- oder Mittelspannungsebene ein.

Das Ziel: eine optimale Netzauslastung

Generell müssen elektrische Energieversorgungsnetze auf eine eventuell auftretende elektrische Maximalbelastung ausgelegt werden um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten. Die Verkleinerung dieser Höchstbelastung und die zeitliche Verlagerung der zu übertragenden Energie auf Zeiten mit relativ geringerer Auslastung ermöglicht eine Optimierung bzgl. der notwendigen Netzinfrastruktur. Eine Verkleinerung der Kapazitätsauslegung führt zu nennenswerten Kostenvorteilen für den Energienetzbetreiber. Dabei bleibt in Summe die übertragene Energiemenge identisch, es wird lediglich die Auslastung des Energienetzes optimiert.

Beispielsweise waren im Jahr 2010 Stromnetze in Österreich im Jahresdurchschnitt nur zwischen 40 % bis 50 % real ausgelastet. Die erheblichen Kostenvorteile und die Erhöhung der Versorgungssicherheit motiviert die Netzbetreiber, die extrem teuren Lastspitzen zu eliminieren. Es wird mit komplexen Optimierungsverfahren versucht, ein möglichst konstantes Lastprofil zu erzeugen um damit den Grundlastanteil zu maximieren.

Diese Optimierungsaufgabe kann mit intelligenten Stromnetzen durch automatische Steuerungen und Kontrolle von Verbrauchsanlagen im Rahmen der Laststeuerung industriell erfolgen.

Das Smart Grid integriert alle Strommarktbeteiligten

Eine Eigenschaft von Smart Grids ist die technische Möglichkeit wichtige Zustandsinformationen und Lastflussdaten der einzelnen Netzelemente (z.B. Verbrauchern in Haushalten oder Industrieanlagen, Erzeugungsanlagen oder Transformatorenstationen) in Echtzeit abrufen bzw. weiterverarbeiten zu können.

Das intelligente Stromnetz managed neben den Erzeugungssanlagen auch wesentliche Verbraucher wie Wärmepumpen, Kühlanlagen Warmwasserspeicher uvm. in das Netzmanagement regelungstechnisch mit ein. Das Smart Grid integriert alle Strommarktbeteiligten durch die Integration von Erzeugung, Speicherung, Netzmanagement und Verbrauch in ein komplettiertes Gesamtenergiesystem.

Kraft- und Speicherwerke werden in der Weise regelungstechnisch gesteuert, dass nur die zu dem Augenblick notwendige Energie produziert wird. Intelligente Stromnetze beziehen in den Steuerungsprozess die angeschlossenen Verbraucher, dezentrale Energielieferanten und -speicherorte mit ein. Damit kann ein zeitlich und räumlich homogenerer Verbrauch moduliert werden. Grundsätzlich können damit nicht deterministische Energieerzeuger wie z.B. Windenergieanlagen und Verbraucher optimaler integriert werden.

Energiespeicherung wird mit Speicherkraftwerken umgesetzt

Die Energiespeicherung, welche aufgrund der schwankenden Erzeugung erneuerbarer Energien an Bedeutung gewinnt, wird technisch mit Speicherkraftwerken umgesetzt. Zusätzlich werden dezentrale Speicher wie z.B. in Fahrzeugen verwendet, um Energiespitzen zu glätten.

Das ändert sich für den Verbraucher

Eine für den Verbraucher wahrnehmbare Änderung aufgrund der technischen Anforderungen von intelligenten Stromnetzen ist die Installation von intelligenten Energiezählern (engl. Smart Meter, Abbildung, Quelle: EVB Energie AG). Dabei hat das Smart Meter die technische Funktion, Daten per Fernauslesung zu erfassen und dann zu übertragen, um diese vollautomatisch dem Smart Grid zur Verfügung zu stellen. Im Vergleich zum herkömmlichen elektromechanischen Ferrariszähler, soll der neue elektronische Zähler mit einem Kommunikationsmodul zur bidirektionalen Datenübertragung ausgestattet sein.

intelligenter Energiezähler/Smart Meter
intelligenter Energiezähler/Smart Meter (Bildquelle: EVB Energie AG)

Bestandteil des integrierten Energie- und Klimaprogramms der Bundesregierung ist es, die Einführung intelligenter Messzähler (Smart Metering) durch die Weiterentwicklung der für einen marktgetriebenen Prozess erforderlichen Rahmenbedingungen zu unterstützen. Es wird angestrebt, intelligente Zähler in einem Zeitraum von sechs Jahren möglichst flächendeckend zum Einsatz zu führen. Das Positionspapier gibt einen Überblick über die aktuellen Rahmenbedingungen von Smart Metering, technischen Möglichkeiten und Erfahrungen in anderen EU-Mitgliedstaaten. Des Weiteren werden Chancen und Anforderungen aus Sicht der Energielieferanten sowie die Perspektive von Marktteilnehmern und Unternehmen erläutert.

Eigenschaften von Smart Grid

Wesentliche Eigenschaften der traditionellen Energienetzsysteme werden zukünftig neu gestaltet und führen damit zu folgenden Eigenschaften des Smart Grid:

  • Speicher-/Pufferkapazität, u.a. zur Einspeisung alternativer Energien
  • Flexible und strategische Netzausweitung mit effizienter Instandhaltung
  • Nutzerorientierte Netzqualität und Versorgungssicherheit
  • Verbindung von kleinen dezentralen Erzeugungseinheiten
  • Optimiert für regionale und internationale Verbundanforderungen

Autor: Dipl.-Ing. Florian Krug

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Kommentare

Kommentar von Kerner |

interessanter Artikel

Kommentar von Robert Weber |

Guter Überblick, allerdings wird die Security zu wenig betrachtet. Da lauern noch große Lücken
http://www.elektrotechnik.vogel.de/prozess/articles/454250/

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