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Definition Was ist ein Smart Grid?

| Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Stefan Luber / Nico Litzel

Bei einem Smart Grid handelt es sich um ein intelligentes Stromnetz, in dem Stromerzeuger, Stromverbraucher und Strom speichernde Komponenten miteinander kommunizieren. Es ist die Voraussetzung für einen vollständigen Umstieg auf erneuerbare Energie.

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(Bild: © aga7ta - stock.adobe.com)

Smart Grid, im Deutschen intelligentes Stromnetz genannt, bezeichnet ein Stromnetz, das aus untereinander vernetzten, kommunizierenden Teilnehmern besteht. Sowohl die Stromerzeuger und Netzbetreiber als auch die Stromverbraucher und Strom speichernden Komponenten tauschen sich über ihren aktuellen Betriebszustand, Energieverbrauch und Energiebedarf aus. Dadurch wird eine effizientere Ausnutzung des Energienetzes möglich. Zudem können dezentral angesiedelte erneuerbare Energiequellen besser in das Netz integriert und gesteuert werden.

Das Smart Grid ist die Voraussetzung für die Energiewende, indem es Stromerzeugung, Stromspeicherung und Stromverbrauch kombiniert und in Echtzeit aufeinander abstimmt. Leistungsschwankungen und Überdimensionierungen der Netze und Stromerzeuger lassen sich reduzieren. Die Vernetzung der verschiedenen Komponenten im Smart Grid erfolgt durch moderne Informations- und Kommunikationstechnik.

Die Steuerung des Smart Grids basiert auf dezentral verteilter Intelligenz. Das Smart Grid transportiert neben der Energie Daten. Die Energieerzeuger erhalten dank dieser Informationen Kenntnis über den aktuellen Energieverbrauch und die aktuelle Netzleistung dezentraler Energieerzeuger. Ein intelligentes Lastmanagement im Stromnetz vermindert das Risiko von instabilen Netzzuständen und führt zu einer effizienteren Nutzung der Infrastruktur.

Warum werden zukünftig Smart Grids benötigt?

Herkömmliche Stromnetze sind so dimensioniert, dass wenige zentrale Energieerzeuger viele dezentrale Energieverbraucher mit elektrischem Strom versorgen. Da der aktuelle Energieverbrauch und der in einem bestimmten Zeitraum benötigte Energiebedarf nur abgeschätzt werden können, müssen diese Netze stark überdimensioniert werden. Durch den Ausbau von erneuerbaren Energiequellen und die vielen dezentralen Einspeisepunkte sind herkömmliche Stromnetze den zukünftigen Anforderungen und den Herausforderungen der Energiewende nicht gewachsen. Daher gelten Smart Grids als Voraussetzung für den Umstieg auf erneuerbare Energien.

Für die Netzbetreiber ergeben sich völlig neue Aufgabenstellungen, da aus Sonnenlicht oder Windenergie erzeugter Strom vom Wetter abhängig und die Energiemenge schwer vorhersehbar ist. Um einen Ausgleich von Stromerzeugung und Stromverbrauch zu schaffen, sind die schwankenden Energiemengen der erneuerbaren Energiequellen zu berücksichtigen. Das Gleichgewicht zwischen Verbrauchern und Erzeugern zu halten, wird zu einer komplexen und diffizilen Angelegenheit.

Ein weiteres Problem ist, dass die Solar- und Windkraftanlagen dezentral an die Verteilnetze angeschlossen sind, die eigentlich für die Zuführung der Energie zu den Verbrauchern konzipiert sind. Sie sind nicht dafür ausgelegt, große Strommengen aufzunehmen und sollen den Strom nur in eine Richtung transportieren. Sind viele Stromerzeuger am Verteilnetz angeschlossen, kehrt sich der Stromfluss um und drängt in die überregionalen Hochspannungsnetze. Großflächige Blackouts können die Folge sein.

Hohe Flexibilität

Ein Smart Grid ist in der Lage, Informationen zum aktuellen Verbrauch und zu den von vielen verschiedenen Energiequellen eingespeisten Energiemengen zu übermitteln und zu verarbeiten. Dadurch lassen sich Energienachfrage und Energieangebot schnell und flexibel ausgleichen. Eine Überlastung im Stromnetz wird vermieden und die Netzstabilität aufrechterhalten. Die Reduzierung der Überdimensionierung der Netze führt zudem zu deutlichen Kostenvorteilen aufseiten der Netzbetreiber. Die Auslastung der Netze lässt sich optimieren und den aktuellen Gegebenheiten flexibel anpassen. Die Nivellierung der Last und die bedarfsgerechte Einspeisung der Energie erfolgt durch automatische Steuerungsintelligenz. Hierfür verwendet das Smart Grid Zustandsinformationen und Lastflussdaten der verschiedenen intelligent vernetzten Komponenten und verarbeitet diese in Echtzeit. Neben den Daten der Produktionsanlagen und Verbraucher lassen sich auch Informationen der Stromspeicher in die Steuerungslogik und das Netzmanagement integrieren.

Auf Verbraucherseite bietet das Smart Grid den Vorteil, dass sich der aktuelle Verbrauch analysieren lässt und Verbrauchsprognosen möglich werden. In Kombination mit dynamischen Tarifmodellen und der Ausrichtung des Energieverbrauchs an die aktuelle Netzsituation entstehen Einsparpotenziale bei den Energiekosten. Neue Technologien wie Elektrofahrzeuge mit großen Speicherkapazitäten gestatten es beispielsweise, die Fahrzeugakkus zu preisgünstigen Zeiten mit Energieüberschuss zu laden und zu Zeiten hoher Strompreise und Energiemangels elektrischen Strom vom Akku oder anderen Quellen ins Netz einzuspeisen.

Der intelligente Stromzähler

Damit ein Smart Grid entstehen kann, müssen die am Stromnetz angeschlossenen Komponenten in beide Richtungen kommunizieren. Hierfür bilden moderne IT, Kommunikationsnetze und intelligente Messeinrichtungen die Basis. Auf Verbraucherseite sind intelligente Stromzähler (Smart Meter) installiert, die den aktuellen Stromverbrauch messen und an übergeordnete Steuereinheiten oder Verbraucher weitergeben. Ergänzt werden die Smart Meter mit intelligenten Verbrauchern, die sich dann einschalten, wenn ein Energieüberangebot im Netz vorhanden ist. Geräte wie Kühlanlagen, Heizungen, Wärmespeicher oder Waschmaschinen arbeiten zu den Zeiten, in denen der Smart Meter günstige Tarife meldet.

Die Intelligenz der Smart Meter ist zudem in der Lage, eigene Energiequellen wie die Fotovoltaikanlage oder Energiespeicher wie den Akku des elektrischen Fahrzeugs in die aktuelle Verbrauchs- und Tarifsituation im Haushalt einzubeziehen.

Datenaustausch und Standardisierung im Smart Grid

Für das Smart Grid können unterschiedlich Kommunikationsnetze und Übertragungstechniken zum Einsatz kommen. Dies reicht von lokalen Netzwerken bei den Energieerzeugern über Wide Area Networks per Glasfaser zwischen verschiedenen Knotenpunkten des Smart Grids bis hin zur Datenkommunikation per Powerline und drahtlose Übertragungstechniken wie Mobilfunk, WLAN oder ZigBee im Verbraucherumfeld. Eingesetzte Kommunikationstechniken sind beispielsweise:

  • Glasfaser- oder Kupferleitungen
  • Schmalband-Power-Line-Carrier-Systeme zur Übertragung von Zählerdaten
  • Breitband-Power-Line-Carrier-Systeme
  • Wireless Mesh, WiMAX
  • öffentliche Mobilfunknetze (GPRS, UMTS, LTE)
  • Zugänge in das öffentliche Internet per xDSL

Die IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) standardisiert das Smart Grid unter der Standardsammlung P2030. Die Sammlung besteht aus mehreren Teilen und Unterstandards, die für die Interoperabilität zwischen Energietechnik und Informationstechnologie im Smart Grid sorgen.

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