Das Stromnetz der Zukunft beginnt am Grid Edge

Die Umstellung auf erneuerbare Energie stellt die Stromversorgung vor große Herausforderungen. Vielversprechende Ansätze, um ihnen zu begegnen, entstehen aktuell am Grid Edge – der Schnittstelle zwischen Netz und Verbrauchern: Die Digitalisierung ermöglicht hier ein neues Zusammenspiel von dezentraler Stromproduktion, Speicherung und Verbrauch, von dem alle Seiten profitieren.

Jahrzehntelang funktionierte die Stromversorgung nach dem gleichen Prinzip. Große Kraftwerke produzieren Energie. Diese gelangt über das Netz zu den Verbrauchern. Dieses Konzept gerät in der neuen Energiewelt, in der immer mehr Strom aus erneuerbaren Quellen stammt, an seine Grenzen. Die Dekarbonisierung der Energieversorgung bedeutet weit mehr als «nur» eine Abkehr von fossilen Brennstoffen. Sie macht einen Umbau des Energiesystems unumgänglich.

Ein Grund dafür: Erneuerbarer Strom – namentlich Wind- und Sonnenenergie – wird nicht bloß in Großanlagen produziert, sondern zunehmend dezentral, in Millionen von Klein- und Kleinstanlagen, die auf Industriegeländen, Einfamilienhausdächern oder Bauernhöfen in ländlichen Gebieten stehen. Zudem unterliegt die Stromproduktion von Photovoltaikanlagen und Windturbinen starken Schwankungen: Die Sonne scheint nicht immer, genauso wenig wie der Wind immer gleich stark weht. Dagegen liefern konventionelle Kraftwerke konstant Energie – Tag und Nacht, im Sommer und im Winter.

Je grösser der Anteil von Wind- und Solarstrom im Strommix wird, desto stärker fluktuiert die Energieerzeugung: Zu manchen Zeiten wird (viel) mehr Strom produziert, als verbraucht wird, zu anderen Zeiten übersteigt die Nachfrage das Angebot. „Im Stromnetz müssen Erzeugung und Verbrauch jederzeit im Einklang stehen“, sagt Michael Weinhold, CTO von Siemens Smart Infrastructure. Die große Herausforderung besteht darin, eine zunehmend fluktuierende Produktion mit dem Verbrauch, der ebenso fluktuiert, in Einklang zu bringen. „Wenn wir mehr Strom aus erneuerbaren Quellen nutzen wollen, brauchen wir mehr Flexibilität im Energiesystem“, erklärt Weinhold.

So muss es auch in Zukunft gelingen, die Stromnachfrage zu decken, wenn zu wenig Wind- und Sonnenenergie vorhanden ist. Um das zu erreichen, müssen flexible Kraftwerke mit schnell steuerbarerer Leistung einspringen, oder es müssen Lasten, sprich Verbraucher, abgeschaltet werden, damit weniger Strom benötigt wird. Zudem können Speicher einen Teil der benötigten Flexibilität bereitstellen.

Flexibilität braucht es aber auch im umgekehrten Fall: Wenn Photovoltaikanlagen an einem schönen Sommertag zur Mittagszeit viel mehr Strom liefern, als benötigt wird, gilt es, diese „überschüssige“ Energie möglichst sinnvoll zu nutzen.

Eine Grundvoraussetzung für mehr Flexibilität ist größere Transparenz hinsichtlich des aktuellen Netz-Zustands und Interaktion zwischen den angeschlossenen Komponenten: Photovoltaik-Anlagen, Windkraftwerke und andere Energieerzeuger müssen digital verknüpft und gesteuert werden können.

Dasselbe gilt für die Verbraucherseite: Je genauer sich der Verbrauch einer Industrieanlage oder eines smarten Gebäudes prognostizieren oder gar variieren lässt, desto flexibler wird das Energiesystem. „Das Ziel ist ein intelligentes System, in dem Stromnetz, Erzeuger, Speicher und Verbraucher weitgehend autonom interagieren“, sagt Michael Weinhold.

Fest steht, dass ein solches System nicht ohne zusätzliche Kapazitäten zur Stromspeicherung auskommen wird. Auf Netzebene sind Speicher gefragt, die in Sekundenbruchteilen viel Energie abgeben oder aufnehmen können, beispielsweise Batterien und Schwungmassenspeicher. Zum anderen sind zusätzliche Langzeitspeicher erforderlich, in Ergänzung etwa zu bereits bestehenden Pumpspeicherkraftwerken.

Speicherlösungen sind in der neuen Energiewelt aber nicht nur auf Netzebene relevant. Auch Unternehmen und Private, die selber Strom produzieren (die sogenannten Prosumenten) profitieren von der Möglichkeit, Strom vorzuhalten. Soweit Wind- und Solaranlagen zum Einsatz kommen, stellen sich den Prosumenten im Kleinen schließlich ähnliche Probleme, wie sie die Netzbetreiber haben: Zu gewissen Zeiten produzieren ihre Anlagen Überschüsse, zu anderen Zeiten lässt sich der Eigenbedarf nicht decken.  

Speicher erlauben es Prosumenten, den Strom unabhängiger vom Zeitpunkt der Erzeugung zu verbrauchen. Damit können sie mehr Energie selbst nutzen, was einen wirtschaftlichen Vorteil bringt. Zudem erreichen sie eine höhere Autarkie – und haben damit eine sicherere Stromversorgung.

Die Suche nach Möglichkeiten, elektrische Energie zu speichern respektive optimal zu nutzen, geht schon seit Längerem über die Stromversorgung im engeren Sinn hinaus. Die Grundidee der Sektorenkopplung ist es, verschiedene Energiesektoren zu kombinieren – zum Beispiel den Strom- mit dem Gas- oder dem Wärmesektor. Das heißt: Überschüssiger Strom wird genutzt, um durch sogenannte Power-to-X-Verfahren beispielsweise Wärme oder Gas zu erzeugen.

Je nach Konzept können diese Energieträger zur Beheizung genutzt werden, oder– mit entsprechenden Verlusten – wieder zur Stromproduktion verwendet werden. Mit dem Aufkommen der Elektromobilität rückt zudem die Kopplung von Strom- und Mobilitätssektor in den Fokus. 

Dieses Setup – intelligente Netze, Speicher und Prosumenten, die Energie nahe am Verbrauch produzieren – schafft neue Möglichkeiten, das Energiesystem flexibler und damit auch zuverlässiger zu machen. Für Stromproduzenten, Netzbetreiber, aber auch für Unternehmen und Private ist damit zugleich die Chance verbunden, an neuen Geschäftsmodellen zu partizipieren.

Viele dieser Möglichkeiten liegen an der Schnittstelle zwischen dem Netz und den Konsumenten respektive Prosumenten – am sogenannten Grid Edge. „Das Grid Edge ist eine neue Dimension, die sich dadurch eröffnet, dass Konsumenten, Prosumenten, die Energiemärkte und das intelligente Netz interagieren“, so Michael Weinhold.

Am Grid Edge, könnte man sagen, werden die Beziehungen zwischen Verbrauch, Produktion und Speicherung neu gedacht. Möglich wird das durch die Digitalisierung. Sie macht Energieflüsse transparent und das komplexe Zusammenspiel zwischen Produktions- und Verbraucherseite beherrschbar.

Kennzeichnend für Lösungen am Grid Edge ist, dass sie verschiedene Anwendungsfälle abdecken – und dass sich die Technologien je nach Bedarf modular kombinieren lassen. Im Folgenden werden einige von ihnen kurz vorgestellt.

Ein gutes Beispiel für eine Grid-Edge-Technologie ist das intelligente Lastmanagement (Demand Side Management): Es gibt dem Netzbetreiber die Möglichkeit, Einfluss auf den Stromverbrauch zu nehmen, wenn die Nachfrage nach Strom zu hoch oder zu tief ist oder es im Stromnetz zu Engpässen kommt. Dafür bieten sich beispielsweise Heiz- und Kühlsysteme an, deren Lastprofile ohne spürbare Folgen für eine gewisse Zeit verschoben werden können. 

Das Konzept der virtuellen Kraftwerke hat zum Ziel, dezentrale Einheiten zusammenzuschließen, um so größere Flexibilität zu generieren und den Teilnehmern eine gemeinsame Stromvermarktung zu ermöglichen. Verbunden werden können dabei Produktionsanlagen wie Biogas- Windkraft-, Photovoltaik- oder Wasserkraftanlagen, aber auch Stromverbraucher, Stromspeicher und Power-to-X-Anlagen. Theoretisch könnte so jeder dezentral produzierende, speichernde oder verbrauchende Akteur als Teil eines virtuellen Kraftwerks am Strommarkt teilnehmen. In der Praxis setzen lokale regulatorische Rahmenbedingungen jedoch gewisse Grenzen.

Microgrids – lokal abgegrenzte, intelligente Stromnetze mit eigener Energieproduktion – können verschiedene Zwecke erfüllen: Autarke Microgrids decken ihren Stromverbrauch jederzeit selbst – was in abgelegenen Gebieten ohne Anbindung ans Stromnetz sinnvoll ist, oder an Orten, wo häufig Störungen im überlagerten Netz auftreten. Mit dem Netz verbundene Microgrids können zudem netzdienlich arbeiten und beispielsweise Lastspitzen durch Einspeisung von Energie ausgleichen helfen.  

„Wir gehen davon aus, dass das intelligente Stromnetz der Zukunft eine zelluläre Struktur hat, bei der Microgrids auf der untersten Ebene dazu beitragen, den Ausgleich zwischen Erzeugung und Verbrauch zu koordinieren", sagt Michael Weinhold. Denn zum einen erhöhen Microgrids die lokale Versorgungssicherheit, zum anderen können sie – in Verbindung mit Speicherlösungen – zu einem stabileren Netzbetrieb beitragen.

Die Anzahl der Elektrofahrzeuge nimmt laufend zu: Das bedeutet eine Herausforderung für die Netze, weil künftig bei gleichzeitig stattfindenden Ladevorgängen beträchtliche Lastspitzen auftreten können. Daher werden die Ladevorgänge mit den verfügbaren Netzkapazitäten abgestimmt respektive koordiniert werden müssen.

Zugleich bietet die Elektromobilität aber große Chancen im Hinblick auf das Stromnetz der Zukunft: Sofern sie intelligent geladen werden, können sich Elektrofahrzeuge wie flexible Verbraucher verhalten – und sind damit ideale Kandidaten für das Lastmanagement. So könnten beispielsweise die Kosten für den Ausbau der Netzinfrastruktur minimiert werden. Zudem ließen sich die Batterien der Elektrofahrzeuge auch als Stromquelle nutzen, wenn im Netz Regelleistung benötigt wird. Die Entwicklung der entsprechenden Technologie, Vehicle-to-Grid, steht allerdings erst am Anfang.

Intelligente Systeme, die Erzeugung, Speicherung und Verbrauch von Strom koordinieren, schaffen für alle Beteiligten neue Chancen. Sie erlauben es Prosumenten und Konsumenten, die Energieeffizienz ihrer Gebäude und Industrieanlagen zu steigern und am Standort produzierte Energie optimal zu nutzen. Konzepte wie das Lastmanagement oder die virtuellen Kraftwerke eröffnen ihnen die Möglichkeit, am Strommarkt zu partizipieren und damit die Wirtschaftlichkeit der eigenen Anlage zu steigern. Zugleich leisten solche Lösungen einen Beitrag zu einem intelligenten und flexiblen, wirtschaftlichen und zuverlässigen Stromnetz. Seine Zukunft beginnt am Grid Edge.