Smart Grids – Stromnetze, die denken

Unser Bedarf an elektrischer Energie steigt seit Jahrzehnten. In Österreich verzeichnete man einen Anstieg von 48,8 TWh im Jahr 1990 auf 70,9 TWh im Jahr 2014 – das ist ein Plus von 45 % (Statistik Austria, 2015). Bislang werden unsere Stromnetze überwiegend von zentralen Stromerzeugern mit Energie versorgt. Seit der politisch eingeleiteten Energiewende wurde aus Klimaschutzgründen der Ausbau erneuerbarer Energieerzeuger, wie Windenergie, Photovoltaik und Kleinwasserkraft forciert. Durch die Einbindung dieser vielen, kleinen und über ganz Österreich verteilten Anlagen in die vorhandene Strominfrastruktur entstanden neue Herausforderungen für einen gut abgestimmten, effizienten und ressourcenschonenden Betrieb. Die Auswirkungen des Klimawandels bringen noch zusätzlich Belastungen mit sich. Intelligente Stromnetze, so genannte „Smart Grids“, können den neuen Aufgaben durch die Energiewende und den Folgen der Klimaveränderung entgegenwirken.

Auswirkungen des Klimawandels auf die Elektrizitätswirtschaft

Die Diversifizierung der Energieträger, die Dezentralisierung des Energiesystems und die Reduktion des Energieverbrauchs unterstützen uns, auch zukünftig die Energieversorgung weitestgehend sicherzustellen. Mit dem Klimawandel begegnen uns jedoch neue bzw. verstärkte Einwirkungen: Steigende Temperaturen, Hitze, Trockenheit und Extremwetterereignisse können unsere Leitungsnetze durch Überlastungen oder unregelmäßige Versorgung an ihre Grenzen bringen. Ausfälle der Stromversorgung, z.B. aufgrund von Sturmschäden, Überflutungen, Eislasten oder Waldbränden, gehen zum Teil mit massiven Konsequenzen einher: Gefährdung kritischer Infrastrukturen wie Krankenhäuser, Wasserversorger oder Telekommunikationseinrichtungen, Ausfälle für die Wirtschaft, etc. 

Besonders Städte sind immer stärker von Hitzetagen betroffen. Bereits heute schon werden in diesen Perioden hohe Lastspitzen beobachtet. Diese sind auf den vermehrten Einsatz von Klimaanlagen und Kühlaggregaten zurückzuführen. Der Trend ist steigend. Eine kritische Situation, da der erhöhte Strombedarf für die Kühlung oft mit Zeiten eingeschränkter Produktionsmöglichkeiten zusammenfällt. So haben Wasserkraftwerke in Trockenperioden immer häufiger mit Niedrigwasserständen zu kämpfen und thermische Kraftwerke mit einer schlechteren Effizienz des Kühlwassers aufgrund höherer Gewässertemperaturen.

Weitere Gefahrenpotentiale für die Energie- und Kommunikationsinfrastruktur sind durch intensive Niederschläge ausgelöste Hangrutschungen oder Überschwemmungen, Stürme und erhöhte Schnee- oder Eislasten. Sowohl Häufigkeit als aus Stärke von Extremwetterereignissen werden klimawandelbedingt steigen. Nicht nur das Leitungsnetz kann davon betroffen sein, sondern auch Photovoltaikanlagen und die Produktion von Biomasse.

Ein Blick in die Vergangenheit zeigt die Verwundbarkeit der Stromversorgung: So verursachten Nassschnee- und Eislasten sowie Windbruch zahlreiche und teils großräumige Unterbrechungen in den Wintern 2013/2014 und 2014/2015. Versorgungsunterbrechungen entstanden auch durch die Stürme Kyrill (2007), Paula (2008), Emma (2009) und Andrea (2012).    

Mögliche Maßnahmen zur Anpassung

Um die Versorgung mit Energie sicherzustellen und den Folgen des Klimawandels auf die Elektrizitätswirtschaft entgegenzuwirken, können u.a. folgende Smart Grid involvierende Maßnahmen ergriffen werden (siehe auch Aktionsplan der Österreichischen Strategie zur Anpassung an den Klimawandel):

1. Optimierung der Netzinfrastruktur: Hier geht es um die Vermeidung vorhersehbarer Engpässe bzw. Überkapazitäten und eine Reduzierung der Verwundbarkeit gegenüber extremen Wetterereignissen. Dazu soll das (europäische) Verbundnetz sowie adäquate Speicherkapazitäten weiter ausgebaut und Ringschlüsse vermehrt umgesetzt werden. Möglichst kurze Transportwege zwischen Erzeugern und Verbrauchern reduzieren die Störanfälligkeit und sollen so weit als möglich realisiert werden. Beim Neuausbau von in Energieinfrastruktureinrichtungen müssen Gefahrenzonen berücksichtigt und auf eine optimierte Ausbeute bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen geachtet werden. Smart Grids sind zukünftig die technologische Basis für ein aktives Steuer- und Verteilnetz und eine weiterer Ausbau ist anzustreben (inkl. Begleitforschung).
2. Forcierung dezentraler Energieerzeugung und -einspeisungen aus erneuerbaren Quellen: Die Nutzung regionaler erneuerbarer Ressourcen ist klimaschonend und erhöht die Versorgungssicherheit auch bei hochrangigen Netzausfällen. Durch Smart Grids wird eine flexible Angebotsdeckung aus dezentraler Erzeugung ermöglicht.
3. Optimierung des Zusammenspiels von Erzeugung und Verbrauch bei wechselndem Angebot und Nachfrage: Zur Vermeidung kritischer Lastspitzen und Engpässe, zur Entlastung des Transportnetzes bei Lastspitzen und zur Optimierung der dezentralen Netzeinspeisung können Maßnahmen zum Lastmanagement unterstützend beitragen. Durch Smart Grids wird eine zeitnahe, bi-direktionale Kommunikation zwischen Netzkomponenten, Erzeugern, Speichern und Verbrauchern ermöglicht. 

Die dezentrale Energieversorgung mit erneuerbarer Energie erfordert eine neue Elektrizitätsinfrastruktur mit angepasstem Strommanagement. Je nach Verfügbarkeit von Sonne oder Wind fluktuiert das Angebot. Photovoltaikanlagen produzieren oft mehr Strom, als vor Ort benötigt wird. Der überschüssige Strom wird dann ins Nieder- oder Mittelspannungsnetz eingespeist. Dies verursacht eine komplexe Struktur in Kombination mit Großkraftwerken. Hier kommt die Smart Grid Technologie ins Spiel, welche zukünftig die Basis für ein aktives Steuer- und Verteilnetz darstellt und diesen Herausforderungen gewachsen ist.

Was ist ein Smart Grid?

Smart Grids sind intelligente Energienetze, welche alle Akteurinnen und Akteure des Energiesystems (Stromerzeuger, Stromspeicher und Verbraucher) über ein Kommunikationsnetzwerk miteinander verbindet. Die sogenannte IKT-Gesamtarchitektur ist das zentrale technische Fundament eines jeden Smart Grids (IKT = Informations- und Kommunikationstechnologie). Sie steuert Entnahmen und Einspeisungen in das Stromnetz und wann welches Gerät mit Strom versorgt wird. Neben Produktionsanlagen werden auch größere Verbraucher wie etwa Wärmepumpen, Warmwasserspeicher, Tiefkühler und Autobatterien in das Management miteinbezogen. Die sogenannte Lastensteuerung in einem Smart Grid nivelliert die Last durch automatische Steuerung und Kontrolle. Zustandsinformationen und Lastflussdaten können in Echtzeit abgerufen und verarbeitet werden. 

Erneuerbare Energieträger sind immer von vorherrschenden Umweltfaktoren abhängig. Wenn Photovoltaikanlagen bei ungetrübtem Sonnenschein mehr Strom produzieren, als vor Ort benötigt wird, kann dieser Überschuss ins Netz eingespeist werden. Das System funktioniert europaweit und ermöglicht etwa auch die nächtliche Nutzung von Windenergie aus Norddeutschland zur Ladung eines Elektroautos in Österreich. Das Smart Grid greift hier steuernd ein.

Smart Meters wiederum sind intelligente Zähler bei jedem Abnehmer, die das System durch die reale Erfassung von Spannungsverhältnissen unterstützen. Die Daten mehrerer Smart Meters werden in Ortsnetzstationen in sogenannten Datenkonzentratoren gesammelt und liefern den Input für weitere Analysen (Power Snapshot Analysen (PSSA)).

IKT-Komponenten waren auch bisher schon Bestandteile von Stromnetzen, jedoch meist nur isoliert und in höheren Spannungsebenen. Durch Smart Grids wird nun die informationstechnische Vernetzung des Energiesystem auf breiter Ebene und die Partizipation vieler Menschen an der Energiewende ermöglicht.

Österreichische Strategien, Modellregionen und Forschungsprojekte

Bis 2020 sollen Smart Grids breitflächig in Österreich umgesetzt werden. Das Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie (bmvit) hat dazu im Jahr 2015 im Rahmen des Strategieprozesses „Smart Grids 2.0“  die „Technologieroadmap Smart Grids Austria“ veröffentlicht. Dieser Strategieplan zeigt die erforderlichen Meilensteine am Weg zu intelligenten Stromnetzen auf.

Bereits zwischen 2008 bis 2010 entstanden die ersten Pionier- und Modellregionen in Oberösterreich, Salzburg und Vorarlberg. Seit 2014 gibt es eine weitere Versuchsregion in der Steiermark. Smart Cities bzw. Smart (Urban) Regions sind Salzburg, Regau, Wien Aspern, Rheintal, Villach, Graz, Weiz-Gleisdorf, Hartberg, Leoben und Oberwart. Weitere Informationen dazu unter www.smartgrids.at/modellregionen.html. 

Parallel zu diesen Aktivitäten laufen forschungsbegleitete Testläufe. Ein Beispiel ist das Projekt ProAktivNetz (gefördert im Rahmen des Energieforschungsprogramms vom Klima- und Energiefonds) im Zuge dessen die KNG-Kärnten Netz GmbH, gemeinsam mit Forschungspartnern, die Optimierung des Systembetriebs von Mittelspannungsnetzen untersucht hat. Der Testlauf fand im Lesachtal in Kärnten statt, welches im Winter aufgrund starker Schneefälle regelmäßig ohne Strom ist. Man geht davon aus, dass sich zukünftig die Anzahl der Wartungsarbeiten aufgrund steigender Extremwettereignisse erhöhen wird. Ein Smart Grid kann dabei regulierend unterstützen.

Resümee und Ausblick

Die Strominfrastruktur wird sich in den kommenden Jahrzehnten von einer zentral gesteuerten zu einer dezentralen Stromversorgung entwickeln. Hoch sensitive Stromerzeuger wie große Wasserkraftwerke oder kalorische Kraftwerke werden durch eine Vielzahl an Windkraftwerken, Photovoltaik- und Biomasseanlagen bei der Stromerzeugung entlastet. Smart Grids ermöglichen dabei einen ausgeglichenen und effizienten Netzbetrieb und können auch regulierend bei Ausfällen eingreifen.

Einige Fragen bleiben noch offen. Vor allem gibt es derzeit noch Bedenken hinsichtlich der Gewährleistung der IT-Netzsicherheit und des Daten- und Persönlichkeitsschutzes. Diese Punkte sind noch nicht ausreichend geklärt bzw. rechtlich geregelt. In Kritik stehen auch die immensen Investitionskosten für die Umrüstung der bestehenden Elektrizitätsinfrastruktur.

Wie auch immer sich die Zukunft der Stromversorgung entwickeln wird, Verbraucherinnen und Verbraucher sind gefordert, den Energieverbrauch zu reduzieren. Denn dies vermindert den Ausstoß an schädlichen Treibhausgasen und trägt somit zum Klimaschutz bei. Und je besser die Maßnahmen zur Senkung des Verbrauchs sind, desto geringer ist auch das Ausmaß einer erforderlichen Anpassung. (September 2016)