Was ist ein Smart Grid?

Ein intelligentes Stromnetz (Smart Grid) steuert mit Hilfe von IoT-Daten gezielt die Stromerzeugung, Stromverbrauch und Stromspeicher und bindet erneuerbare Energien mit ein.

Energiewende: Chancen und Herausforderungen

Die Energiewende gilt als Schlüssel für den Kampf gegen den Klimawandel. In den letzten beiden Dekaden hat sich laut BMWi der Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch stetig erhöht: von rund sechs Prozent im Jahr 2000 auf rund 42 Prozent im Jahr 2019 – Tendenz weiter steigend. Allerdings bringt die Energiewende auch Herausforderungen mit sich.

Zum einen werden die erzeugten Strommengen volatiler, da erneuerbare Energien nicht so zuverlässig und konstant Strom erzeugen wie Atom- oder Kohlekraftwerke. Scheint die Sonne nicht oder bläst der Wind nur schwach, erzeugen diese Anlagen wenig bis gar keinen Strom. Diese Schwankungen müssen die Netzbetreiber ausgleichen, um die stabile Versorgung mit elektrischer Energie zu gewährleisten. Zum anderen wird die Stromproduktion dezentraler. Wo früher ein Atomkraftwerk riesige Strommengen erzeugte, speisen künftig Photovoltaikanlagen, Windräder, Wasserkraftwerke oder Geothermie- und Biogasanlagen einzeln sehr viel weniger Energie ins Netz.

Daten: Arbeitsgruppe Erneuerbare-Energien-Statistik, Grafik: BMWi

IoT als Basis des Smart Grid

Daher müssen die Energieunternehmen sicherstellen, dass die Stromnetze auch bei einem hohen Anteil erneuerbarer Energien und schwankender, dezentraler Stromeinspeisungen stabil bleiben und zuverlässig funktionieren. Hier kommt das Internet of Things (IoT) ins Spiel. Es bildet die Basis von intelligenten Stromnetzen (Smart Grids), in denen alle Komponenten miteinander vernetzt sind und nahezu in Echtzeit Informationen und Daten zu Stromerzeugung, -speicherung und -verbrauch austauschen. Dann lassen sich diese Bereiche gezielt steuern und so aufeinander abstimmen, dass jederzeit genug Strom zur Verfügung steht – auch aus erneuerbaren Energien.

Permanente Messung und Analyse

Basis einer hohen Netzstabilität sind die Statusinformationen und Lastflussdaten aus den verschiedenen Komponenten des Stromnetzes (Stromquellen, Umspannwerke, Transformatorenstationen, Verteilerpunkte, Messstationen etc.) sowie den Verbrauchern wie Industrieanlagen, Büros oder Privathaushalten. Das heißt: Die Betreiber des Smart Grids müssen die erzeugte und verbrauchte Energiemenge mit IoT-fähigen Sensoren und Geräten permanent messen und analysieren, um die vorhandenen Netzkapazitäten optimal zu nutzen. Daten sorgen hier für die nötige Transparenz.

Smart Meter

Intelligente Zähler (Smart Meter) erfassen kontinuierlich Daten über den aktuellen Stromverbrauch sowie den zugeführten Strom und übertragen sie meist an eine Cloud-basierte IoT-Plattform. Dort werden die Werte auch mit Hilfe von KI und maschinellem Lernen analysiert und visualisiert, Prognosen erstellt etc. Die Übertragung der Daten erfolgt verschlüsselt über Smart Meter Gateways, die auch Steuersignale an dezentrale Systeme übermitteln können, um Erzeuger und Verbraucher zu koordinieren.

Optimiertes Energiemanagement

Anhand dieser Daten erhalten sowohl Kunden als auch Energieunternehmen einen genauen Überblick über den tatsächlichen Stromverbrauch und die Auslastung der Netze. Damit können sie ihre Anlagen dynamisch steuern, bestehende Prozesse optimieren sowie Wartungs- und Übertragungskosten senken. Sie sind dann in der Lage, auf besondere Umstände flexibler und schneller zu reagieren und beispielsweise bei Bedarf je nach Verbrauch auch Einspeisungen ins Stromnetz zu stoppen, um es stabil zu halten. Sie können auch Schwankungen mit Hilfe von Lastverschiebungen und Stromspeichern ausgleichen.

Gegenüberstellung Smart Grid und traditionelles System. Quelle: By Bartz/Stockmar, CC BY-SA 4.0

Smart Grid bringt Vorteile für Industrie und private Verbraucher

Kleinere Energieerzeuger wie Haushalte mit eigener Photovoltaikanlage, Betreiber von Windrädern, Wasserkraftanlagen etc. werden mit Hilfe der intelligenten Zähler zu aktiven Stromhändlern, wenn sie Energie in die Netze einspeisen. Zudem ist es in einem Smart Grid möglich, diese lokalen Stromproduzenten zu verknüpfen und zu einer Art virtuellem Kraftwerk zusammenzufassen. Wenn sie an das überregionale Stromnetz angeschlossen sind, können sie dortige Schwankungen ausgleichen. So tragen sie zur Stabilität und Effizienz der Stromversorgung bei. Und sollte es in den überregionalen Netzen zu Störungen kommen, gewährleisten diese kleineren „Inselnetze“ weiterhin die lokale oder örtliche Stromversorgung.

Auch für private Verbraucher ergeben sich aus einem Smart Grid Vorteile. Etwa mit zeitvariablen Tarifen, sprich einem Strompreis, der sich aus dem aktuellen Verhältnis von Angebot und Nachfrage berechnet. Ein Beispiel: Die Waschmaschine oder die Geschirrspülmaschine schalten sich nachts automatisch ein. Oder das Elektroauto lädt über Nacht, wenn wegen der geringeren Nachfrage mehr Strom zur Verfügung steht und die Kosten geringer sind. Dadurch wird die Last auf die Stromnetze effizienter verteilt. Elektroautos können in einem Smart Grid übrigens auch als Energiespeicher dienen.

IoT-Plattformen unterstützen Smart Grids

Cloud-basierte IoT-Plattformen wie sphinx open online treiben die Entwicklung von Smart Grids voran. Mit IoT-fähigen Sensoren und Geräten können beispielsweise die Smart-Grid-Betreiber die erzeugte und verbrauchte Energiemenge permanent messen. Mit Hilfe von KI und maschinellem Lernen lassen sich diese Messungen analysieren, um die vorhandenen Netzkapazitäten optimal zu nutzen.

Sicherheit im Smart Grid

Mit der Vernetzung der Komponenten im Smart Grid entstehen natürlich auch Gefahren für die Sicherheit der Energienetze. Daher gelten strenge gesetzliche Datenschutzregelungen sowie spezielle Sicherheitsanforderungen für Smart Meter, die mit dem Niveau von Banken vergleichbar sind. So prüft etwa das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) die IT-Sicherheit, bevor Smart Meter eingesetzt werden dürfen.

Für weiteren Schutz sorgen ganzheitliche Sicherheitslösungen. Diese überwachen alle Komponenten zentral und garantieren eine sichere Authentifizierung und Autorisierung. Sie erkennen Angriffe (Intrusion Detection) und sehen die verschlüsselte Datenübertragung zwischen den einzelnen Komponenten vor.

Weitere Informationen zur IoT-Security finden Sie in diesem Blogbeitrag: IoT Security: Eine Checkliste.