Smart Grids – ein Jahrhundertprojekt?

Ein effizientes, zuverlässiges und sicheres Stromnetz ist die Grundlage für eine funktionierende Wirtschaft und einen dauerhaft hohen Lebensstandard. Dieses zu gewährleisten wird mit Blick auf den wachsenden Strombedarf zunehmend schwieriger. Erschwerend kommt hinzu, dass aus Rücksicht auf die Umwelt Strom zunehmend aus erneuerbaren Energien gewonnen werden sollte. Sie stehen jedoch nicht an jedem Ort in gleichem Maße und rund um die Uhr zur Verfügung. Um die damit verbundenen Herausforderungen zu meistern, bedarf es der Entwicklung einer stärker vernetzten und auf die jeweilige Nachfragesituation reagierenden Infrastruktur – es bedarf eines intelligenten Stromnetzes – dem Smart Grid.

Prof. H. Alan Mantooth, Mixed Signal IC Design und CAD Electrical Engineering an der Universität Arkansas (USA) und Mitglied beim IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)

Energieeffizienz in der Stromversorgung

Der Begriff Smart Grid bezeichnet das Zusammenspiel von Hardware und Software zu einem System, das eine optimale Energieeffizienz in der tagtäglichen Stromversorgung gewährleistet. Dazu muss es autonom auf die aktuelle Nachfrage und Ereignisse in der Stromversorgung reagieren können. Zum Beispiel auf geplante und ungeplante Stromausfälle, eine ungleichmäßige Auslastung des Stromnetzes, die Speicherung von Energie in Spitzenproduktionszeiten und die Rückeinspeisung bei besonders hoher Nachfrage.

Ein intelligentes Stromnetz misst eigenständig die zur Verfügung stehende Energiemenge und überwacht welche Netzteile wie stark ausgelastet sind oder Störungen aufweisen. Somit kann das System auf die jeweilige Situation in Echtzeit reagieren und die zur Verfügung stehende Strommenge so kontrollieren, dass ein verlässlicher und stabiler Betrieb zu jeder Zeit gewährleistet ist. Bei der Entwicklung eines solchen Smart Grids ist es daher entscheidend, die verschiedenen Charakteristika der Stromversorgung genau zu prüfen und einzubinden. Dazu zählen unterschiedliche Nutzungsmuster, die verschiedenen Eigenschaften erneuerbarer Energien und ihrer Systeme (Windenergie, Solarenergie, Biomasse und Elektroautos) sowie tageszeit- und nachfrageabhängige Preisstrukturen.

Vier Entwicklungsschritte zum Smart Grid

Vier entscheidende Schritte führen uns zu einem umfassenden intelligenten Stromnetz:

Der erste Schritt liegt in innovativen Mess- und Monitoringsystemen. Durch diese können Endabnehmer ihren Stromverbrauch besser planen, koordinieren und so auf die Preisentwicklung reagieren.
Im zweiten Schritt steht der Ausbau von leistungsfähigen Stromleitungen im Mittelpunkt, die in der Lage sind, Energie möglichst effizient über weite Strecken zu transportieren.
Im dritten Schritt werden Energiespeicher unterschiedlicher Größe an das Netz angeschlossen.
Der vierte Schritt besteht in der Schaffung einer zuverlässigen Kommunikationsstruktur, die in Verbindung mit dem intelligenten Stromnetz arbeitet und die einzelnen Bestandteile koordiniert.

Diese Entwicklungsschritte sind nicht notwendigerweise in der oben beschriebenen Reihenfolge umzusetzen. Faktisch muss eine enorme Anzahl von Organisationen und Industriezweigen eingebunden werden, um der Komplexität dieser zweiten Generation von Stromnetzen gerecht zu werden. Das hat zur Folge, dass sich das intelligente Stromnetz je nach Region individuell entwickelt und nicht überall gleichzeitig zur Verfügung stehen wird. Um den derzeitigen Lebensstandard zu halten und die Energieverfügbarkeit weiterhin zu gewährleisten, muss die Entwicklung des intelligenten Stromnetzes der Zukunft weiter vorangetrieben werden. In den USA zum Beispiel befinden wir uns gerade in der ersten Phase, die innerhalb der nächsten zwei Jahre abgeschlossen sein kann. Eine Realisierung des vollen Smart Grids ist noch in dieser Dekade möglich – sofern kontinuierlich an den Planungen festgehalten und die Finanzierung gesichert wird.

Smart-Grid-Offensive in Amerika

Die Stromnetze in Amerika erfahren derzeit in großem Umfang entscheidende Verbesserungen. Unterstützt werden diese Entwicklungen durch ein milliardenschweres Wirtschaftsförderungsprogramm: US-Präsident Barack Obama verkündete Ende 2009, 3,4 Milliarden US-Dollar für den Ausbau des intelligenten Stromnetzes bereitzustellen. Mit den damit verbundenen Investitionen der Projektträger stehen über acht Milliarden US-Dollar für diese Smart-Grid-Offensive zur Verfügung, aufgeteilt auf 100 Unternehmen und Projekte mit Fördersummen zwischen 400.000 und 200 Millionen US-Dollar. Die Projekte sind vielfältig: Manche setzen bei einer Verbesserung der technischen Ausstattung des Stromnetzes an, andere haben die Einspeisung erneuerbarer Energien als unmittelbares Ziel, andere Projekte wiederum konzentrieren sich auf den Ausbau der Zähler-Infrastruktur beim Endverbraucher. Ein Beispiel für letzteres ist die Central Maine Power Company in Augusta (Maine). Der Stromanbieter wurde mit fast 96 Millionen US-Dollar gefördert, um ein flächendeckendes Smart-Meter-Netz aufzubauen – an die 650.000 intelligente Stromzähler werden bei den Verbrauchern zum Einsatz kommen.

Andere Projekte konzentrieren sich auf den Ausbau des elektrischen Übertragungsnetzes. Entergy Services gibt insgesamt über 9 Millionen US-Dollar aus, um 18 neue Phasor Measurement Units (PMU) zu installieren und die verantwortlichen Ingenieure zu schulen. Die PMU-Messgeräte werden an Schlüsselpositionen in das Netz integriert und ermöglichen ein umfassendes Zustandsmonitoring in Echtzeit sowohl entlang der Übertragungs- als auch der Verteilnetze. Damit kann das dynamische Verhalten des Netzes zeitnah beurteilt werden – ein Schritt zu einem effizienten Netzbetrieb und erhöhter Netzstabilität.

Ausblick auf ein Jahrhundertprojekt

Der Aufbau des Smart Grids basiert auf Entwicklungen von Ingenieuren, Biologen, Physikern, Chemikern, Ökonomen und vielen weiteren Experten, die neue Materialien, Techniken und Prozesse entwickeln müssen, um dieses Jahrhundertprojekt umzusetzen. An vielen Orten existieren bereits gut funktionierende Stromnetze. Während ihre Architektur von Grund auf erneuert wird, müssen diese komplexen Systeme auch weiterhin zuverlässig arbeiten. Aus technologischer Sicht ist die Entwicklung eines Smart Grids daher eine besondere Herausforderung, die mehr Industriezweige beschäftigen wird als jedes andere Vorhaben unserer Zeit.☐