Was ist ein Smart Grid und welche Rolle spielt es in der Energiewende?

Ein Smart Grid ist ein Stromnetz, dessen Akteure miteinander kommunizieren. Erzeuger, Netzbetreiber und Abnehmer treten in einen aktiven Austausch und ermöglichen so die Integration von Millionen EEG-Anlagen. Das Smart Grid ist das Nervensystem der dezentralen Energiewende.

Der Umstieg auf klimaschonende Erneuerbare Energien ist in Deutschland in vollem Gang. Die öffentliche Diskussion beschränkt sich häufig auf die Beschreibung von deren Anteil am jährlichen Stromverbrauch. Im Jahr 2013 waren es bereits 23 Prozent, das Ziel für 2020 lautet 35 Prozent. Die Große Koalition plant aktuell einen Ausbau auf 55 Prozent bis 2030. Hinter diesen Zahlen versteckt sich der extrem komplexe Umbau der gesamten Energieinfrastruktur. Bisher wurde das gesamte Land durch einige Hundert zentrale Kraftwerke mit Strom versorgt. Durch den Aufbau der Erneuerbaren sind bislang über eine Millionen Anlagen neu hinzugekommen. Jede Anlage für sich ist kaum systemrelevant. In der Masse definiert ihr Zusammenspiel aber die Zukunft der Versorgungssicherheit in Deutschland.

Ein besonderer Fokus liegt dabei auf den Stromnetzen. Damit ein Stromnetz stabil ist, muss zu jeder Zeit die gleiche Menge Strom in das Netz eingespeist werden, wie in diesem Moment entnommen wird. Andernfalls droht der Blackout. Diese Aufgabe war bereits im alten System schwer genug. Denn jeder kann Strom verbrauchen wann und wie er will. Der Verbrauch schwankt also ständig. Niemand käme auf die Idee seinem Netzbetreiber anzuzeigen, dass er nun gedenkt in der nächsten Stunde eine bestimmte Menge Strom zu verbrauchen. Die Netzbetreiber messen daher an bestimmten Stellen des Stromnetzes die sogenannte Netzfrequenz und leiten daraus ab, ob der Gesamtstromverbrauch aktuell steigt oder sinkt. Kraftwerke werden dann entsprechend angewiesen ihre Leistung hoch- oder runter zu fahren. Bezahlbare Speicher für Strom gibt es nämlich faktisch nicht. Dieser komplizierte Prozess der ständigen Anpassung der Einspeiseleistung funktionierte bislang, weil wenige Kraftwerke sehr viele Anschlussinhaber belieferten. Deren unvorhersehbarer Verbrauch hebt sich teilweise gegenseitig wieder auf. Die Netze sind entsprechend dafür ausgelegt, dass der Strom immer nur von den Kraftwerken über die Hochspannungsleitungen in die städtischen Verteilernetze fließt und schließlich in den Häusern ankommt.

Herausforderungen der Energiewende

Mit dem Ausbau der Erneuerbaren ändert sich die Aufgabe der Netzbetreiber dramatisch. Die Einspeisung aus Sonnen- und Windenergie hängt schlicht vom Wetter ab. Ihre Produktion ist schwer vorherzusagen und nicht beeinflussbar. Zusätzlich darf jedermann solche Anlagen bauen wo er möchte, ohne Rücksicht auf die lokalen Gegebenheiten im Stromnetz. Für die Netzbetreiber folgen daraus zwei zentrale Probleme:

Problem schwankende Einspeisung

Das erste Problem betrifft den Ausgleich von Erzeugung und Verbrauch. Im Netz beginnt durch die vom Wetter abhängigen Erneuerbaren nach dem Verbrauch jetzt auch die Produktion von Strom teilweise heftig zu schwanken. Die Aufgabe, Produktion und Verbrauch immer im Gleichgewicht zu halten, wird dadurch ungemein schwerer. Genau so wenig wie die Stromabnehmer dem Netzbetreiber ihren Verbrauch anzeigen, zeigen die Erneuerbaren Anlagen ihm ihre Produktion an. Die Netzbetreiber sind für das, was in ihrem Netz passiert, weitgehend blind. Technik, die den Netzbetreibern ein schlüssiges Bild der Netzzustände vermittelt, fehlt in den meisten Netzen bislang.

Um diesem Problem zu begegnen, müssten die vielfältigen Akteure des Stromnetzes anfangen miteinander zu kommunizieren. Ein solches Stromnetz, in dem die Akteure sich untereinander austauschen, nennt man Smart Grid. In einem Smart Grid besteht neben dem Netz zur Übertragung von Strom auch ein Netzwerk zur Übertragung von Informationen. Smart Grids existieren bislang fast ausschließlich in der Theorie. Sie sind aber der zentrale Schlüssel für die Infrastruktur der Energiewende. Nur durch Kommunikation kann es langfristig gelingen die schwankende Produktion und den schwankenden Verbrauch hinreichend in Einklang zu bringen. Je mehr dezentrale Einspeiser aus Erneuerbaren es gibt, desto weniger kann ein zentraler Akteur wie der Netzbetreiber alle Teilnehmer des Netzes koordinieren. In einem ersten Schritt kann mehr Kommunikation mit dem Netzbetreiber diesem die Möglichkeit geben, seine Netzzustände besser zu erfassen. In einem zweiten Schritt sollen zukünftig Anreize für Stromverbraucher entstehen, Strom immer dann zu verbrauchen, wenn besonders viel Strom aus Erneuerbaren im Netz ist.

Problem Lastflussumkehr

Die Verteilnetze, an die die Solar- und Windkraftanlagen angeschlossen werden, sind nie dafür ausgelegt worden, im größeren Stil Strom aufzunehmen. Sie sollten immer nur Strom in eine Richtung aus den Hochspannungsnetzen zu den Verbrauchern transportieren. In Gebieten mit vielen Erneuerbaren Anlagen kann sich aber schon heute der Stromfluss umdrehen. Die dezentralen Anlagen produzieren mehr Strom als lokal benötigt wird und der drängt nach oben in die Hochspannungsnetze. Dabei kann jede Leitung nur eine bestimmte Menge Strom übertragen. Wird diese überschritten, wird die Leitung zu heiß und brennt im schlimmsten Fall durch. Um dies zu vermeiden muss der Netzbetreiber den entsprechenden Netzabschnitt abschalten, es droht ebenfalls der Blackout.

Für das zweite Problem der überlasteten Leitungen gibt es bereits heute eine Lösung. Viele Überlastungssituationen lassen sich durch Netzausbau beheben. Hierbei werden sehr vereinfacht gesprochen neue oder deutlich stärkere Leitungen verlegt und robustere Betriebsmittel verbaut. Dies ist jedoch extrem aufwendig und sehr teuer. Die halbstaatliche Energie-Effizienz Agentur dena schätzt, dass bis 2030 auf 135.000 bis 193.000 km die deutschen Verteilnetze aus- und auf 21.000 bis 24.500 km umgebaut werden müssen. Dies entspricht etwa der halben Strecke von der Erde zum Mond. Die Kosten hierfür werden auf 27,5 bis 42,5 Milliarden Euro geschätzt (vgl. Publikation S. 7-8 ). Diese Kosten, die alle Bürger über die Netzentgelte zahlen, können deutlich geringer ausfallen, wenn die Akteure des Netzes sich besser abstimmen würden. Wenn etwa Windanlagen an den windigsten Tagen des Jahres gedrosselt würden, oder Strom zunächst lokal verbraucht werden könnte. Dies durch den Einsatz von Informationstechnologien zu koordinieren, wird ebenfalls Aufgabe des Smart Grid.

Innovationen durch Vernetzung

Zuletzt soll das Smart Grid die notwendigen Innovationen für eine gelungene Energiewende hervorbringen. Tatsächlich weiß heute niemand, wie ein Energiesystem mit 80 Prozent Einspeisung aus Erneuerbaren funktionieren soll. Wie weit können sich Verbraucher auf die schwankenden Erneuerbaren zubewegen? Wie weit können sich die Erneuerbaren eines Tages wie konventionelle Kraftwerke verhalten? Wie können Ausbau der Erneuerbaren und Ausbau der Netze bezahlbar gehalten werden? Welche Technologien und Prozesse könnten eigentlich viel weniger Strom verbrauchen als heute? Wie kann es bei all diesen Herausforderungen gelingen, auch noch die leistungshungrigen Elektromobile ins Netz zu integrieren?

Die Antworten auf diese Fragen sind offen und sehr komplex. Wenn das Ziel klar ist, aber die Mittel unbekannt sind, dann braucht es Innovation. Es besteht die berechtigte Hoffnung, dass in einem Smart Grid der Einzelne vom passiven Verbraucher zum aktiven Netzteilnehmer wird. Offene Netzwerke haben bisher immer einen erheblichen Schub an Innovationen bedeutet. Dies gilt für den Flugverkehr, die Telekommunikation und an erster Stelle für das Internet. In einem Smart Grid soll die Kreativität der Tüftler freigesetzt werden, die zu den notwendigen Lösungen für die Energiewende führt. Denn die große Frage, wer sich zukünftig wie weit und auf wen zubewegen muss, lässt sich nur durch den kontinuierlichen Austausch von Informationen verhandeln. Erste Innovationen auf Basis von Kommunikation im Energiesystem lassen sich bereits beobachten. So werden heute bereits viele Biogasanlagen miteinander zu virtuellen Kraftwerken verbunden. Statt wie früher ohne Rücksicht auf die Nachfrage ihren Strom gegen EEG-Vergütung ins Netz einzuspeisen, agieren Sie heute im Verbund am Regelenergiemarkt. Ähnliche Pläne gibt es für die Vernetzung vieler kleiner Hausspeicher für Solarenergie. Haushalte mit Solaranlagen beginnen zwischen Eigenverbrauch, Netzeinspeisung und Verbrauch von konventionellem Strom je nach Angebot hin- und herzuwechseln. Solche neuen Konzepte werden umso wichtiger, je mehr schwankende Erneuerbare im Netz sind.