Automatisierung: Risiken im Prozess
Smart Grid: Hin zum schlauen Netz
Die „Energiewende“ verändert die deutsche Stromversorgung grundlegend. Durch den Umstieg von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare Quellen wechseln nicht nur die Träger, aus denen Strom erzeugt wird. Auch die Menge und die Richtung, in der Energie fließt, wandeln sich. Für den Transport müssen moderne Netze intelligenter werden. Die Antwort ist das „Smart Grid“. Doch woraus genau ergibt sich der Bedarf?
Früher erzeugten wenige zentrale Großkraftwerke den Strom. Von dort wurde er über die höheren Netzebenen (Hochspannung, HS, und Mittelspannung, MS) zu den niedrigeren Ebenen (Niederspannung, NS) und dort zu den Verbrauchern transportiert. Die Folge war eine klare Flussrichtung von „oben“ nach „unten“. Heute übernehmen dezentrale Anlagen einen großen Teil der Versorgung. Diese sind oft in der Niederspannung angeschlossen. Der dort erzeugte Strom muss, wenn er nicht vor Ort verbraucht wird, über die höheren Netzebenen abtransportiert werden. Der Fluss wird bidirektional, verläuft also in beide Richtungen. Darüber hinaus ändert sich auch die Planbarkeit der Stromflüsse. Ein Kohle- oder Gaskraftwerk kann seine Fahrweise dem Bedarf des Marktes anpassen. Wie viel Energie ein Windrad oder ein Solarpanel liefert, hängt hingegen von der Witterung ab. Hieraus ergeben sich Schwankungen, die das Netz ausgleichen muss.
Entsprechend muss ein modernes Verteilnetz für den Fluss der Energie in beide Richtungen ausgelegt sein. Zudem muss es Schwankungen in Erzeugung und Verbrauch in Echtzeit managen. Die Entwicklung eines solchen „Smart Grid“ stützt sich auf verschiedene Komponenten. Die beiden wichtigsten werden in der Folge vorgestellt.
Smart Meter für ein intelligentes Netz
Grundlagen intelligenter Messgeräte
Smart Meter sind Zähler für Strom, Gas oder Wasser, die digital Daten senden und empfangen können. Hierfür sind sie an ein Kommunikationsnetz angebunden. Bei Großkunden kommen sie schon lange zum Einsatz. Der Grund ist, dass diese erhebliche Mengen an Energie abnehmen und somit die Fahrweise des Netzes stark beeinflussen. Für den Netzbetreiber ist es daher essenziell, ihre Verbrauchswerte zu kennen. Früher gab es in der Niederspannungsebene kaum Anlagen zur Messung nicht industrieller Nutzer. Heute ist der Betrieb nicht mehr anders möglich.
Für private Haushalte gibt es intelligente Zähler seit etwa 10 Jahren. Dort sind nach wie vor überwiegend analoge Messgeräte installiert. Diese zeigen den Stromverbrauch mechanisch an und werden einmal im Jahr abgelesen. In einem System, in dem Haushalte nur Verbraucher waren, war dies problemlos möglich. Durch die Vermischung von Erzeuger (Producer) und Verbraucher (Consumer) zum „Prosumer“ ist der Ansatz nicht länger gangbar. Heute speisen viele Privatleute, z. B. über Solar-Dachanlagen, in die Niederspannung ein. Der Strom fließt in beide Richtungen. Dies macht für Versorger eine feinere Messung erforderlich.
Die EU hat 2006 und 2009 in Richtlinien die Grundlagen zur Einführung von Smart Meter Technologie gelegt. In Deutschland sind intelligente Messsysteme ab 2020 für Haushalte und Unternehmen ab einem Jahresverbrauch von mehr als 6.000 KWh verpflichtend. Dasselbe gilt für Betreiber einer Strom erzeugenden Anlage. Abnehmer unterhalb der Grenze erhalten eine sog. „moderne Messeinrichtung“. Hierbei handelt es sich um einen digitalen Stromzähler, der keine Daten sendet. Das Gerät muss wie gewohnt vor Ort ausgelesen werden.
Einschätzung der Vorteile für Smart Grid
Aktuell sind die Vorteile von Smart Metern für Verbraucher überschaubar. Erst für die Zukunft sind neue Preismodelle wie variable Tarife angedacht. Hierbei passen sich die Kosten für Strom laufend an die Situation des Netzes an. Ein Haushalt könnte so z. B. außerhalb der Hauptlastzeiten, etwa nachts, Energie günstiger beziehen. Noch gibt es jedoch kaum derartige Modelle.
Versorger profitieren bereits vom Smart Meter Rollout. Zuvor war die Verteilung des Verbrauchs in ihren Netzen, abgesehen von den Großkunden, für sie eine „Black Box“. Im täglichen Betrieb sahen sie nur, wie viel Strom von allen nicht „intelligent“ gemessenen Kunden insgesamt verbraucht wurde. Ein Smart Meter übermittelt hingegen den Verbrauch des Nutzers (meist gesammelt für den Vortag) verteilt auf Intervalle von 15 Minuten.
Der Vorteil, den Smart Meter einem Netzbetreiber bieten, liegt auf der Hand. Eine genauere Kenntnis des Verhaltens seiner Kunden erlaubt des ihm, seine Ressourcen besser zu planen. Eine große Herausforderung beim Netzbetrieb ist der Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch. Je besser der Versorger beide vorhersagen kann, desto einfacher ist es für ihn, das Netz stabil zu halten. Muss er Regelenergie beschaffen, ist diese umso günstiger, je früher er um die Lücke oder den Überschuss in der Versorgung weiß.
Im Fazit bieten Smart Meter einen Ansatz, um das Smart Grid beim Verbraucher zu realisieren. Ein weiterer findet sich an zentralen Punkten zur Steuerung des Netzes.
Intelligente Ortsnetzstationen
Grundlagen regelbarer Stationen
Ortsnetzstationen, im Volksmund oft „Trafo-Häuschen“ genannt, sind die Bindeglieder zwischen den Netzen der Mittelspannung (MS) und Niederspannung (NS). Der eingebaute Transformator wandelt den Strom von MS in NS um. Bisher erfolgte dies von der höheren in die niedrigere Spannung. Wegen der vermehrten Einspeisung von kleinen Anlagen ins NS-Netz ist auch hier eine Anpassung nötig. Zugleich erfordern Schwankungen in den transportierten Mengen mehr Möglichkeiten zur Messung und Regelung.
Eine Lösung ist die „intelligente“ oder regelbare Ortsnetzstation (rONS). Diese kommt durch ihre Auslegung sowohl mit Wechseln des Stromflusses als auch mit Schwankungen der Spannung zurecht. Die Station kann durch eine Anbindung an die Leitwarte ferngesteuert werden. Die Einbindung kann über Kabel oder Funk erfolgen. Dies verkürzt die Reaktionszeit, da nicht „intelligente“ Stationen von Monteuren vor Ort aufgesucht und per Hand geschaltet werden müssen. Darüber hinaus meldet sie Kurz- oder Erdschlüsse nicht nur, sondern stellt auch die Richtung fest und hilft somit bei der Ortung eines Fehlers. Dies erübrigt ebenfalls das „Abfahren“ des Netzes und die manuelle Suche durch einen Monteur.
Darüber hinaus meldet die Station laufend Messungen. Die Leitwarte erhält somit detailliert Kenntnis von der Live-Situation des Netzes. Auch die Netzplanung kann auf die Werte zurückgreifen, um aus ihnen Schlüsse für die Netzberechnung und ‑optimierung zu ziehen. Insofern sind rONS nicht nur für den täglichen Betrieb, sondern auch für die Planung von Investitionen von Vorteil.
Einschätzung der Vorteile für Smart Grid
Bisher bieten sich rONS vor allem für den einzelnen Einsatz an neuralgischen Punkten an. Der Grund ist, dass ihre Kosten oft das Drei- oder Vierfache von gewöhnlichen Stationen betragen. Zugleich können sie jedoch durch Optimierung teure Maßnahmen zum Netzausbau vermeiden. In diesem Fall haben sich zusätzliche Kosten schnell wieder rentiert.
Fazit: Smart Grid steht noch am Anfang
Ob Smart Meter oder rONS: Die Digitalisierung der Verteilnetze hat bereits begonnen. Noch befindet sich der Prozess in einem frühen Stadium. Aktuell geht es darum, Potenziale auszutesten und die grundsätzliche Infrastruktur zu schaffen. Für die Zukunft ist jedoch unzweifelhaft, dass immer mehr „intelligente“ Komponenten mit Kommunikations-Anbindung zum Einsatz kommen werden. Bisher liegen die Vorteile vor allem bei Versorgern und im Bereich der Stabilität und Sicherheit. Inwieweit sich bei den Kosten Vorteile ergeben werden, von denen auch Verbraucher profitieren, bleibt abzuwarten.