Smart Grids

Entwicklungen in Deutschland

von Prof. Dr. Thomas Hartkopf, Lutz Steiner

Was bedeutet eigentlich Smart Grid im Detail und was ist das Ziel davon? Antworten darauf gibt es viele, da ein Smart Grid und dessen Ziele im Wesentlichen von der Energieversorgung sowie den energiepolitischen Zielen eines jeweiligen Landes abhängt. Prof. Dr. Thomas Hartkopf und Lutz Steiner versuchen, eine Antwort auf diese Frage zu geben und beschreiben die Entwicklungen im Bereich Smart Grids in Deutschland.

„Smart Grid“ bedeutet „intelligentes Stromnetz“ und ist derzeit ein Schlüsselwort in Forschung und Entwicklung, welches immer wieder verwendet wird. Entsprechende Projekte gibt es auf nahezu allen Kontinenten, insbesondere in den USA und Europa, aber auch in Asien (China). Die energiepolitischen Ziele in Deutschland sehen vor allem einen Ausbau regenerativer Energien sowie in Zukunft das Abschalten von Kohle- und Kernkraftwerke vor. So soll z.B. im Jahr 2020 in Hessen der Anteil regenerativer Energien verdreifacht werden. Erklärte Ausbauziele in „kWh“ oder „Prozent“ geben allerdings keine Auskunft darüber, ob die Versorgungssicherheit – also die Versorgung von Haushalt – Industrie und Handwerk mit elektrischer Energie zu jedem Zeitpunkt sichergestellt ist. Um das zu bewerten, muss die „gesicherte Leistung“ betrachtet werden. Unter der gesicherten Leistung versteht man die Leistung, die ein Kraftwerk mit über 99 Prozent Wahrscheinlichkeit zu jedem Zeitpunkt aufbringen kann. Um eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten, muss die gesicherte Leistung aller bundesdeutschen Kraftwerke stets um ca. 10 Prozent höher sein als der höchste Stromverbrauch (ca. 87.500 MW) im gesamten deutschen Stromnetz. Während die installierte Kraftwerkskapazität fossiler Kraftwerke mit ca. 90 Prozent zur gesicherten Leistung beiträgt, liegt dieser Wert bei fluktuierenden regenerativen Energien aus Wind oder Sonnenlicht bei weniger als 10 Prozent.
Ein Zubau von 10.000 MW installierter Windleistung kann so gerade mal ein Kohlekraftwerk mit 800 MW bis 1000 MW ersetzen, um die gleiche Versorgungssicherheit zu gewährleisten. An diesem Beispiel lässt sich erkennen, dass beim Erreichen der energiepolitischen Ziele die Fluktuation der Energieerzeugung von Erneuerbaren Energien ein Problem darstellt.

Problemlösung: intelligente Stromnetze

Als Lösung dieses Problems wird in der Regel die Speicherung elektrischer Energie vorgeschlagen, wobei der Aufwand für die großtechnische Speicherung von Strom häufig unterschätzt wird. Im Jahre 2009 beispielsweise waren Windkraftwerke mit ca. 24.000 MW elektrischer Leistung installiert. Die durchschnittlich produzierte Leistung betrug in diesem Zeitraum rund 4.300 MW. Während einer typischen 14 tägigen Schwachwindzeit betrug die durchschnittliche Leistung nur ca. 1.100 MW. Wollte man die fehlende Leistung von 3.200 MW für den Zeitraum von 14 Tagen in einem Speicher vorhalten, so müsste an ca. 1.080 GWh elektrischer Energie speichern. Die Kapazität aller Pumpspeicher in Deutschland, dazu gehört auch der Schluchsee mit einer Oberfläche von über 5 km2, beträgt lediglich 240 GWh und würde damit um das rund 4-Fache übertroffen. Wege zur Lösung dieses Problems sind neben dem Ausbau der Übertragungsnetze auch ein verstärktes Last- bzw. Erzeugungsmanagement. Hierfür muss das Stromnetz um Kommunikationstechnik erweitert werden, um den für ein Management notwendigen Datentransfer zu ermöglichen. Aus dem Stromnetz wird ein intelligentes Stromnetz, ein Smart Grid – u.a. mit dem Ziel, Lasten an die fluktuierende Energieerzeugung von regenerativen Energien anzupassen.
Mithilfe moderner Kommunikationstechnik können verschiebbare Lasten in einem so genannten „Demand Response“ so beeinflusst werden, dass eine verbesserte Anpassung von Last und regenerativer Einspeisung erfolgt. Beispiele für solche Lasten sind Klimaanlagen, Druckluft-, Heizungs- und Kühlgeräte, verschiebbare industrielle Produktionsprozesse von energieintensiven Produkten sowie auch Batterien von Elektroautos in einem zukünftigen elektromotorischen Straßenverkehr. Das von Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie und Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit geförderte Projekt E-Energy bearbeitet diese Themen. Durch die Kommunikation zwischen Lasten und Erzeugungsanlagen ergeben sich auch Chancen für neue Plattformen zur Vermarktung von elektrischer Energie oder für virtuelle Kraftwerke. Sechs Modellregionen untersuchen in ihren Vorhaben in Feldversuchen den Einsatz von Lastverschiebungstechnologien sowie Speichern. Die Projekte reichen von der Ausregelung fluktuierender Windeinspeisung durch Kühlhäuser bis hin zum Demand Side Management (intelligente Lastensteuerung auf Verbraucherseite) mit Haushaltsgeräten.
Insbesondere werden Marktplatzlösungen als Plattformen für das Handeln mit elektrischer Energie entwickelt, an denen auch Privatkunden teilnehmen können. Diese könnten schon bald durch zeitvariable (dynamische) Stromtarife profitieren, die dann besonders günstig sind, wenn Erneuerbare Energien in großen Mengen in das Stromnetz einspeisen. Intelligente Stromzähler, die sekundengenau die Leistung messen, dienen zur Abrechnung. Auch Elektroautos können hieran teilnehmen, damit diese bevorzugt mit Strom aus Erneuerbaren Energien geladen werden.

Im ebenfalls vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie und Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit geförderten Projekt „IKT für Elektromobilität“ werden in sieben Projekten Feldversuche hierfür durchgeführt. Dass auch private Haushalte an den Vorteilen eines Smart Grid teilhaben können, ohne auf Komfort verzichten zu müssen, zeigt das Solarhaus „surPLUShome“ der Technischen Universität Darmstadt. Dieses Haus wurde speziell für ein Smart Grid entwickelt und bietet den Bewohnern ein Lastmanagement, um so die elektrischen Verbraucher optimal an einem dynamischen Stromtarif anzupassen. Das Haus stellte seine Leistungsfähigkeit beim rennomierten amerikanischen Wettbewerb „Solar Decathlon 2009“ unter Beweis und ging – ebenso wie die Technische Universität Darmstadt beim Solar decathlon 2007 - als Gesamtsieger hervor.

t.hartkopf@re.tu-darmstadt.de
lsteiner@re.tu-darmstadt.de