Der Smart Grid – Vision oder Utopie?

In zahlreichen Forschungsprojekten und Feldversuchen wird gegenwärtig daran gearbeitet, das Energieversorgungsnetz mit dem Internet zu koppeln. Als Ergebnis wird in einigen Jahren ein Smart Grid erwartet, in dem Großkraftwerke, dezentrale Energieerzeugung und der Verbrauch mittels IP-basierter Datenkommunikation vollständig aufeinander abgestimmt werden.
Die gesamte Stromversorgungsinfrastruktur in Deutschland arbeitet nach wie vor nach Konzepten, die zum Teil schon vor über 100 Jahren entwickelt wurden. Damals ging man davon aus, dass eine überschaubare Anzahl von Großkraftwerken die benötigte elektrische Energie erzeugt und in ein überregionales Hochspannungsnetz einspeist. In unmittelbarer Nähe der Verbraucher wird die Hochspannung in eine deutlich geringere Spannung umgewandelt und über entsprechende Niederspannungsnetze mit geringer Ausdehnung direkt an die Verbrauchsorte geliefert. Genau genommen haben wir inzwischen sogar ein vierstufiges Versorgungsnetz: Die Großkraftwerke liefern die erzeugte Energie in ein Stromverbundnetz mit 220/380kV (Höchstspannungsnetz). Es ist primär für den weiträumigen Energietransport mit möglichst geringen Verlusten vorgesehen. Das Höchstspannungsnetz speist über entsprechende Vorrichtungen ein Hochspannungsnetz mit 110/220kV. An dieses Netz sind einige Großverbraucher, wie zum Beispiel Stahlwerke oder die Bahn direkt angeschlossen. Das 110/220kV-Netz dient ansonsten ebenfalls zur Energieverteilung über größere Entfernungen. Für die regionale Verteilung wird ein 20kV-Mittelspannungsnetz genutzt. Mit diesem Netz sind größere Gebäude und Industriebetriebe direkt verbunden. Die erforderlichen Niederspannungstransformatoren werden dann vom Kunden betrieben. Als unterste und letzte Ebene zur Versorgung der Haushalte und Kleinbetriebe dient das Niederspannungsnetz mit 230/400V, also die Spannung, die uns in Haushalt und Büro an den Steckdosen zur Verfügung steht.

Gesetzliche Vorgaben verändern die Landschaft

Durch die garantierte Einspeisevergütung auf Grundlage das EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) hat sich die Energieerzeugung in unseren Versorgungsnetzen im Laufe der letzten Jahre völlig gewandelt. Neben den zentralen Großkraftwerken gibt es inzwischen unzählige dezentrale Windkraftanlagen (WKAs), die direkt in das Mittelspannungsnetz einspeisen. Weiterhin findet man auf unzähligen Dächern deutscher Wohn-, Geschäfts- und Wirtschaftsgebäude Solarmodule. Diese wandeln die Sonnenstrahlung in elektrische Energie (Gleichstrom) um, und liefern sie an einen Wechselrichter im Gebäudeinneren. In dieser Funktionseinheit wird der eingangsseitige Gleichstrom (DC) aus den Solarmodulen zu 50Hz-Wechselstrom (AC). Der ausgangsseitige Wechselstrom solcher PV-Anlagen (PVA) wird direkt in das örtliche Niederspannungsnetz eingespeist. Hinzu kommen in Ein- und Mehrfamilienhäusern sowie größeren Zweckbauten immer mehr Mikro-Blockheizkraftwerke (BHKWs), also spezielle Kleinanlagen, die über einen Verbrennungsprozess mit hohem Wirkungsgrad sowohl Wärme als auch Strom zur Abdeckung der Grundlast einzelner Gebäude erzeugen. Diese Anlagen liefern teilweise ebenfalls elektrische Energie in das Niederspannungsnetz. Es ist politisch gewollt, den Anteil erneuerbarer Energien und hocheffizienter BHKWs an der Stromversorgung und somit die Anzahl der dezentralen Klein- und Kleinstkraftwerke auch zukünftig deutlich auszubauen, um die CO2-Emissionen zu verringern und die Klimaschutzziele der EU zu erreichen. Der aktuelle Zustand der Hochspannungsnetze wird durch zahlreiche Leitwarten von den Versorgern recht gut überwacht. Des Weiteren stehen in diesen Leitwarten zahlreiche Eingriffsmöglichkeiten zur Verfügung, um die Versorgungsqualität abzusichern. Dafür wurde im Laufe der Jahre praktisch jede Hochspannungsschaltanlage und Trafostation mit einer Fernwirkschnittstelle ausgestattet. Im Niederspannungsbereich auf der Ortsnetzebene sieht es hingegen völlig anders aus. Hier gibt es in der Regel keine zentrale Überwachung und auch keinerlei Eingriffsmöglichkeiten durch eine Leitwarte. Dafür fehlen bisher schlicht und einfach die technischen Vorrausetzungen. Fällt in einem Ortsnetz der Strom aus, verlässt sich der Versorger auf die Telefonanrufe der Kunden und auf das technische Bereitschaftspersonal, das dann vor Ort den Fehler beheben muss. Viele Versorgungsunternehmen kennen noch nicht einmal die genaue Spannung und Frequenz, die sie in die Haushalte liefern. Bevor EEG-bedingt dezentral eingespeist wurde, konnte man die Netzqualität im Niederspannungsnetz direkt aus den überwachten Werten im Hochspannungsnetz ableiten. Durch die dezentrale Energieerzeugung per WKA, PVA, Mikro-BHKW und anderen Quellen ist das nicht mehr ohne weiteres möglich. Da Wind und Sonne nicht konstant zur Verfügung stehen, schwankt die Netzqualität inzwischen beständig. Weiterhin wird zu manchen Zeiten in den Mittel- und Niederspannungsnetzen einiger Ortsnetze mehr Energie erzeugt als verbraucht. Dafür waren diese Netze eigentlich nicht vorgesehen. Neben der zu lösenden Einspeiseproblematik in den regionalen Mittel- und Niederspannungsnetzen müssen die deutschen Versorger nun auch weitere gesetzliche Änderungen umsetzen. So sind zum Beispiel seit dem 1.Januar 2010 durch den §21b, Absatz 3a des Energiewirtschaftsgesetz (EnWG) so genannte ‚Smart Meter‘ in allen Neubauten und bei Gebäuderenovierungen zur Verbesserung der Gesamtenergieeffizienz vorgeschrieben. Laut Gesetzestext sind „jeweils Messeinrichtungen einzubauen, die dem jeweiligen Anschlussnutzer den tatsächlichen Energieverbrauch und die tatsächliche Nutzungszeit widerspiegeln“. Darüber hinaus muss dem Kunden gemäß EnWG auf Wunsch eine monatliche, zweimonatliche oder vierteljährliche Rechnungsstellung angeboten werden. Zudem müssen die Versorger ab 2011 einen flexiblen (lastvariablen bzw. tageszeitabhängigen) Tarif in das Produktportfolio integrieren, der für den Kunden einen „Anreiz zur Energieeinsparung oder zur Steuerung des Energieverbrauches“ bietet.

Das Internet der Energieerzeuger und -verbraucher als Lösung

Um die gesetzlichen Vorgaben vollständig umzusetzen und gleichzeitig die Versorgungsqualität im Niederspannungsbereich bei weiterhin stark wachsender dezentraler Energieeinspeisung zu gewährleisten, müssen die Versorger zumindest auf Mittel- und Niederspannungsseite ein Internet der Energie aufbauen. Mit anderen Worten: Alle Erzeuger und Verbraucher sollten mit Hilfe entsprechender Informations- und Kommunikationstechnik (IuK) ausgestattet und zu einem so genannten Smart Grid zusammengeschaltet werden. Diese Bestrebungen laufen letztendlich darauf hinaus, dass jedes Wohn-, Geschäfts- und Wirtschaftsgebäude – und somit jeder Stromkunde – im Niederspannungsnetz über einen speziellen Gateway mit dem Internet verbunden wird. Über diesen können der Versorger und andere berechtigte Instanzen die aktuellen Zählerdaten fernauslesen, spezielle Tarifinformationen (also die lastvariablen bzw. tageszeitabhängigen Tarife gemäß EnWG) übermitteln, sowie per Leitwarte auf die verbraucherseitig vorhandenen dezentralen Klein- und Kleinstkraftwerke zugreifen, um beispielsweise über das dynamische Regelverhalten von Mikro-BHKWs Lastspitzen direkt im Niederspannungsnetz auszugleichen. Darüber hinaus müssen dem Verbraucher die aktuellen Preisinformationen zur Anzeige gebracht werden, um ihn mit Hilfe solcher tarifgesteuerter Anreize zu einem effizienteren und vor allem günstigeren Energiekonsum zu animieren. Die Haushaltsgeräte benötigen auf der Verbraucherseite auch noch eine entsprechende Managementschnittstelle, um zum Beispiel den Einsatz von Tiefkühltruhe, Geschirrspüler, Waschmaschine und Trocker in lastarme Zeiten mit günstigen Strompreisen zu verlegen. Entsprechende Lösungen werden zurzeit in verschiedenen Forschungsprojekten entwickelt und im Rahmen von Smart Metering- bzw. Smart Grid-Feldversuchen getestet. Ein Beispiel stellvertretend für viele andere ist das Haushalts-Gatewaykonzept der SSV Software Systems GmbH. Die erste Variante dieses Energie-Gateways wurde zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) im Auftrag der EWE AG Oldenburg entwickelt. Es informiert den Strom- und Gaskunden in Echtzeit über seinen Energieverbrauch, sowie die dadurch entstehenden Kosten und CO2-Emissionen. Dafür werden die aktuellen Verbrauchsdaten permanent per M-Bus aus den elektronischen Strom- und Gaszählern ausgelesen und über die DSL-Verbindung des Kunden an einen speziellen Server des Versorgers weitergeleitet. Im Rahmen des vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten InnoNet-Verbundprojekts ‚Dezentrales Energie- und Netzmanagement mit flexiblen Stromtarifen‘ (DEMAX) wird der SSV-Gateway nun mit einer BHKW-Schnittstelle ausgestattet. Sie ermöglicht den VPN-gesicherten Fernzugriff per Internet auf Basis von Standard-TCP/IP-Protokollen.

Zusammenfassung und Ausblick

Bis alle Instanzen im Hoch- und Niederspannungsnetz inklusive der dezentralen Klein- und Kleinstkraftwerke zu einem funktionierenden Smart Grid zusammengeschaltet sind, ist noch sehr viel Arbeit zu leisten. Das größte Problem auf dem Weg zum Ziel dürften zunächst einmal die fehlenden Standards sein. Es gibt gegenwärtige ebenso wenig einheitliche Normierungen für die Datenschnittstellen in PV-Anlagen, Mikro-BHKWs oder Windkraftanlagen, wie beispielsweise Managementschnittstellen für Haushaltsgeräte. Lediglich im Smart Metering-Bereich wurden inzwischen über die OMS-Spezifikationen der Verbände figawa, KNX und ZVEI die erforderlichen Voraussetzungen für fernauslesbare elektronische Zähler geschaffen (siehe auch Kasten). Ebenfalls völlig ungeklärt sind zurzeit noch der Datenschutz und die Finanzierung der IuK-Gerätschaften auf der Kundenseite.

Kasten: Open Metering Konferenz

Am 25. Februar 2010 fand die erste OMS-Fachkonferenz der ‚Open Metering Initiative‘ beim ZVEI in Frankfurt am Main statt. Eingeladen waren Experten aus den Bereichen Smart Grid, Smart Home und Gebäudeautomatisierung. Diskutiert wurden Anforderungen der Betreiber sowie Spezifikationen bezüglich Schnittstellen, Funktionalität und Wirtschaftlichkeit des europaweit geplanten OMS-Standards für sogenannte intelligente Zähler für Gas, Wasser, Strom etc. Informationen sind downloadbar unter: www.openmetering.org.