Anzeige
Smart Grids

"Smart Grids": Auf dem Weg zur intelligenten Stromversorgung mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien

In den letzten Jahren sind Photovoltaik-Anlagen wie Pilze aus dem Boden geschossen. Allein im ersten Halbjahr 2011 wurden bundesweit rund 1.700 Megawatt Leistung installiert. Der Anteil der erneuerbaren Energien im Energiemix wächst ständig, und der Strom wird tatsächlich "grüner".

Allerdings stellt der massive Zubau von Kleinkraftwerken die Energieversorger vor große technische Herausforderungen, denn jeder erwartet beim morgendlichen Einschalten der Kaffeemaschine, dass das kleine rote Lämpchen leuchtet.

Diese Verfügbarkeit sicherzustellen und die großen Differenzen zu Spitzenlastzeiten auszugleichen ist seit langem die Aufgabe der Energieversorger.

Traditionell besteht das Versorgungsnetz aus einer überschaubaren Menge an Großkraftwerken, welche die Grundlast sicherstellen. Saisonal bedingte Erhöhungen sind bekannt und können durch Steuerung der Leistungswerte ausgeglichen werden.

Schematische Darstellung der zentralen Stromerzeugung und -verteilung
Schematische Darstellung der zentralen Stromerzeugung und -verteilung

 

Da die großen Grundlast-Kraftwerke (Laufwasserkraftwerke, Kernkraftwerke, Braunkohlekraftwerke) nicht auf kurzfristige Veränderungen reagieren, werden andere Kraftwerkstypen eingesetzt, um die Mittel- und Spitzenlasten abzufangen.

Mittellast-Kraftwerke (z.B. Steinkohlekraftwerke) werden nach festgelegten Regeln betrieben, um bekannte Mehrleistungen im Laufe des Tages auszugleichen. Die Spitzenlast-Kraftwerke (Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicherkraftwerke, Gasturbinenkraftwerke) haben eine sehr hohe Dynamik und können extrem schnell zugeschaltet werden, wenn z.B. in der Mittagszeit der Bedarf sprunghaft steigt.

 

Pumpspeicherkraftwerke wurden in Deutschland bereits in den 70er-Jahren des 20. Jahrhunderts gebaut. Ende 2010 verfügte Deutschland über Pumpspeicherkraftwerke mit einer Gesamtleistung von 7 Gigawatt.

Der Betrieb dieser Kraftwerke folgt seit Jahren einem eingespielten Muster, und der Aufwand für die Verwaltung und Einsatzplanung war überschaubar. Die Verteilung der Energie zum Verbraucher erfolgt dabei über das entsprechende Leitungsnetz, das sich grundsätzlich das Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetz einteilen lässt. Im Normalfall speisen die Großkraftwerke in das Hochspannungsnetz ein. Damit gibt es bis zum Verbraucher theoretisch nur noch technische Verluste.

Durch den rapiden Ausbau von Klein- und Kleinstanlagen, die erneuerbare Energiequellen nutzen, hat sich dieses Konzept verändert. Zum einen sind Photovoltaik- und Windkraftanlagen stark wetterabhängig, und zum anderen speisen sie nicht unbedingt in das Hochspannungsnetzwerk ein.

Werden diese Einspeisungen in Zukunft nicht überwacht und geregelt, ist eine Überlastung von Teilnetzwerken nicht auszuschließen.

Wie beschrieben, speisen die großen Kraftwerke Strom in das Hochspannungsnetz ein. An verschiedenen Punkten wird die Spannung dann über Transformatoren gesenkt, bis sie letztlich bei den verschiedenen Verbrauchern ankommt. So fließt der Strom in Richtung Verbraucher.

Schematische Darstellung der dezentralen Stromerzeugung und -verteilung
Schematische Darstellung der dezentralen Stromerzeugung und -verteilung

 

Werden jetzt beispielsweise im Mittelspannungsbereich Photovoltaik-Anlagen installiert, kann bei hoher Solarstrom-Produktion ein Elektrizitätsüberfluss innerhalb dieses Netzes entstehen. Damit würde Energie in die falsche Richtung fließen, und Umspannwerke oder Komponenten könnten beschädigt werden, was einen kompletten Ausfall des Teilnetzes zur Folge hätte (grüne Pfeile in der Grafik).

Das Konzept "Smart Grid" (intelligentes Stromnetz) soll in Zukunft sicherstellen, dass solche Szenarien nicht Wirklichkeit werden. Dazu müssen die großen Energieversorger einerseits sicherstellen, dass dieser Stromüberfluss vermieden wird, und andererseits dafür sorgen, dass Strom, der in regenerativen Kraftwerksanlagen erzeugt wird, auch statt der Großkraftwerksenergie genutzt wird.

Hierzu ist es nötig, mit allen im Netz eingesetzten Komponenten zu kommunizieren. Von Kraftwerken werden daher stets aktuelle Leistungsdaten benötigt, um diese richtig verteilen zu können. Produzieren einzelne Regionen zu viel Energie, muss die Leistung der Anlagen mit entsprechender Regeltechnik reduziert werden können. Dabei ist die Energie, die aus regenerativen Quellen gewonnen wird, zu bevorzugen.

In den letzten Monaten wird bereits ein Großteil der neuen Anlagen so gebaut, dass die erforderlichen Regeltechniken genutzt werden. Allerdings ist es noch ein weiter Weg, bis ein intelligentes Stromnetz in ganz Deutschland funktioniert. Auch die Daten der Kundenseite sind für die Planung und Regelung nahezu unerlässlich.

Seit knapp drei Jahren stehen für den privaten Verbraucher so genannte Smart Meter (intelligente Stromzähler) zur Verfügung. Diese übermitteln üblicherweise im 15-Minuten-Zyklus die Verbrauchsdaten zum Anbieter. Datenschützer werten den Einsatz noch als bedenklich, da theoretisch auch Auswertungen über das private Umfeld erstellt werden können. Außerdem sollen diese Zähler in Zukunft noch weitaus intelligenter werden und in Verbindung mit Konzepten wie "Smart Home" dem Endverbraucher helfen, den Energieverbrauch richtig zu planen. Zum Beispiel würde ein solches System die Waschmaschine erst dann starten, wenn Strom günstig zur Verfügung steht.

Da die Abschaltung der deutschen Kernkraftwerke beschlossen ist, werden regenerative Energien in Zukunft eine noch größere Rolle in Deutschland spielen. Da die Leistung jedoch in Extrembereichen schwanken kann, ist eine dezentrale Steuer- und Regeltechnik für den reibungslosen Betrieb der Energieversorgung unabdingbar. Seit 2009 wurden beispielsweise allein mehr als 95.000 installierte Photovoltaik-Anlagen mit einer Gesamtleistung von 14,5 Gigawatt gemeldet.

Die Kosten für die schrittweise Umstellung auf intelligente Systeme werden mit Sicherheit auf die Verbraucher umgelegt werden. Doch an dieser persönlichen Investition führt kein Weg vorbei, wenn das rote Lämpchen am Morgen zuverlässig leuchten soll.

 

Autor: Björn-Lars Kuhn; Proteus Solutions GbR

 

Weitere Informationen finden Sie im Positionspapier Smart Grid des Bundesverband Wärmepumpe e.V.

sowie im ZVEI-Positionspapier Smart Grids der Elektroindustrie.