Technik

Smart Grid: Das Stromnetz wird intelligent – und so funktioniert das

von
Arne Schätzle

Alles wird smart: Uhren, Lautsprecher, sogar Kühlschränke. Bald soll auch das Stromnetz intelligent werden – mit Smart Grid. So funktioniert die Technik.

Eine hellerleuchtete Stadt bei Nacht.
Wann braucht wer wie viel Strom? Und wie viel können erneuerbare Energien liefern? Für diese Koordination wird das Stromnetz intelligent. Foto: Getty Images/EyeEm

Das erfahren Sie gleich:

  • Warum erneuerbare Energien ein intelligentes Stromnetz brauchen
  • Weshalb besonders für konstante Stromspannung und -volumen Smart Grids notwendig sind
  • Wie ein Smart Grid funktioniert
  • Welche Aufgaben das System übernehmen kann – und wann das Smart Grid hierzulande zum Einsatz kommt

Mit dem Ausbau der erneuerbaren Energien ist die konstante Bereitstellung von Strom zu einer größeren Herausforderung geworden. Und sie wird in Zukunft noch größer werden, denn die Energieerzeuger müssen vermehrt unterschiedliche, fluktuierende Erzeugungsarten koordinieren, Strom ins Netz einspeisen und für den Nutzer bereitstellen. Diese Aufgaben soll in Zukunft ein smartes Stromnetz übernehmen: das Smart Grid. In ihm kommen moderne Speicheranlagen und innovative Speichertechnologien zum Einsatz, um den Strom verlässlich beim Nutzer abzuliefern.

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Erneuerbare Energien brauchen das Smart Grid

Die Deutsche Bundesregierung hat 2011 den stufenweisen Ausstieg Deutschlands aus der Atomenergie bis zum Jahr 2022 beschlossen. Dafür soll der Anteil erneuerbarer Energien am Strommix erhöht werden – bis 2050 soll er in Deutschland bei 80% liegen.

Aber erneuerbare Quellen wie Wind und Sonne liefern den Strom nicht gleichmäßig, sondern schwankend. Um die Stabilität des Stromnetzes nicht zu gefährden und auch die notwendige Netzfrequenz von 50 Hertz garantieren zu können, schalten die Betreiber sogenannte Must-run-Kraftwerke hinzu, Kraftwerke, die jederzeit einspringen, wenn gerade mal kein Wind weht oder die Sonne nicht scheint – wenn die Menge der Wind- und Photovoltaikenergie nicht ausreicht. In diese ergänzenden Kraftwerke wird in der Regel Gas oder Kohle eingespeist.

Die große Herausforderung besteht darin, die verschiedenen Akteure im Netz zu koordinieren und intelligent zu steuern. Dafür braucht es eine möglichst genaue Vorhersage, wie groß die Menge an Strom sein wird, die zugeliefert werden soll, so dass keine Engpässe entstehen. Andernfalls werden unnötig teure Regelkraftwerke in Gang gesetzt, um Strom zu produzieren, der letztlich nicht gebraucht wird.

Und noch ein Handicap muss ein intelligentes Netz ausgleichen: Erneuerbare Quellen erzeugen den Strom häufig nicht dort, wo er benötigt wird, weil nun mal in den Ballungszentren keine Windräder oder Photovoltaikfelder stehen.

Eine Solaranlage auf einer Wiese.
In heißen Sommern ist es zu viel, an dunklen Tagen zu wenig: Smart Grids sollen Über- und Unterproduktionen – etwa von Solaranlagen – auffangen. Foto: Getty Images/Westend61

Intelligentes Stromnetz steuert Stromspannung und -volumen

Wie lassen sich Schwankungen und Defizite ausgleichen?

  • Zum einen durch neue Leitungen, um die lokale Diskrepanz von benötigtem und erzeugtem Strom zu nivellieren
  • Zum anderen durch Speicher, um das zeitliche Missverhältnis auszugleichen

Warum ist der Ausgleich so wichtig?

Dabei müssen Stromvolumen und Spannung permanent angeglichen werden. Denn erneuerbare Anlagen speisen den Strom auf verschiedenen Spannungsebenen ein.

  • Je nachdem, ob es sich um kleine oder große Photovoltaik-Anlagen handelt, Offshore oder Onshore-Windparks, wird der Strom im Nieder-, Mittel oder Hochspannungsnetz eingespeist. Der Netzbetreiber muss aber jederzeit, auch in kritischen Situationen die benötigte Spannung sicherstellen.
  • Bisher waren die Stromnetze außerdem darauf eingerichtet, dass große Kraftwerke viele Verbraucher mit konstanter Leistung versorgen. Der Strom aus erneuerbaren Energien hingegen kommt aus einer Vielzahl kleiner Anlagen, ist dezentral angesiedelt und starken Leistungsschwankungen ausgesetzt.
  • Ein weiteres Problem, das daraus entsteht, heißt Lastflussumkehr: Die Verteilernetze, an die die Solar- und Windkraftanlagen angeschlossen werden, sind nicht dafür ausgelegt, in größeren Mengen Strom aufzunehmen. Sie sind lediglich dafür konzipert, Strom aus den Hochspannungsnetzen zu den Verbrauchern zu transportieren. In Gebieten mit vielen erneuerbaren Anlagen allerdings kann sich der Stromfluss umkehren. Soll heißen: Die dezentralen Anlagen produzieren mehr Strom als lokal benötigt wird und speisen ihn in das Hochspannungsnetz. Dabei kann jede Leitung nur eine bestimmte Menge Strom übertragen. Wird diese überschritten, wird die Leitung zu heiß und brennt im schlimmsten Fall durch. Um dies zu vermeiden, muss der Netzbetreiber den entsprechenden Netzabschnitt abschalten, es droht ein Stromausfall.

Ein Windpark auf Feldern.
Spannungsspitzen oder niedriges Stromvolumen kommen besonders bei Windparks immer wieder vor – das Smart Grid soll es richten. Foto: Getty Images

Strom und Daten: So funktioniert das Smart Grid

Überlastungssituationen lassen sich durch Netzausbau beheben, indem neue, beziehungsweise stärkere Leitungen verlegt werden. Das ist jedoch, wenig überraschend, extrem aufwendig und sehr teuer. Auch hier lassen sich Kosten sparen, wenn ein Smart Grid die Abstimmung aller Akteure des Netzes übernehmen könnte. Zur Zeit verkaufen die Netzbetreiber beispielsweise zu viel produzierte Mengen an Ökostrom an verbrauchsarmen Zeiten günstig ins Ausland, beispielsweise Windenergie, die bei einem nächtlichen Sturm entsteht.

Smart Grids könnten das ändern und überschüssigen Strom in Speicherkraftwerke umleiten, die sie bei Bedarf wieder freigeben. Beim Smart Grid handelt es sich also um ein Netz, welches den stabilen Betrieb auch bei Schwankungen und Lastflussumkehr ermöglicht, indem es Stromerzeugung, Verbrauch und Speicherung dynamisch überwacht und steuert. Denn: Nur wenn lokal die eingespeiste Energie stets dem Verbrauch entsprechen, lassen sich Probleme wie Stromschwankungen oder Lastflussumkehr vermeiden.

Die Vernetzung soll durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien und dezentral organisierter Energiemanagementsysteme erfolgen, welche die einzelnen Komponenten koordinieren. Das bedeutet, dass über das Smart Grid nicht nur Energie sondern auch Daten transportiert werden, sodass Netzbetreiber kurzfristig Informationen zu Energieproduktion und -verbrauch erhalten.

Bisher hatten die Netzbetreiber weder Kontrolle noch Kenntnis darüber, wann und wo eine dezentrale Erzeugungsanlage Strom ins Netz einspeist. Wird der Anteil solcher mehr oder weniger unkoordinierten Erzeuger zu hoch, steigt das Risiko von instabilen Netzzuständen.

Und wann kommt das Smart Grid?

Um den Bedarf beim Verbraucher zu ermitteln, braucht das intelligente Stromnetz auch intelligente Stromzähler vor Ort. Das ist weniger eine technisches Herausforderung, sondern betrifft vielmehr das sensible Thema Datenschutz.

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Solange allerdings nicht vorhergesagt werden kann, wann und wo genau Strom benötigt wird, muss immer noch Energie gespeichert werden, um sie bei Bedarf nutzen zu können. Auch für diese Speicherung bedarf es noch besserer Technik und weiterer Forschung.

Es gibt bereits einige Pilotprojekte, kleine Dörfer, in denen das intelligente Netz getestet wird. Bis zu einem produktiven Einsatz der Technologie ist es aber noch ein weiter Weg, auf dem Technologien entwickelt und getestet werden müssen, auf dem die Erneuerung und Erweiterung der elektrischen Stromversorgungsinfrastruktur hin zu intelligenten Stromnetzen notwendig wird. Einige Hürden machen es also unwahrscheinlich, dass das Smart Grid schon sehr bald hierzulande flächendeckend zum Einsatz kommt.

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