Intelligente Stromnetze

Der Anteil von Solar- und Windenergie an der Stromerzeugung in Deutschland nimmt stetig zu. Wetterschwankungen wirken sich damit auf die verfügbare Energiemenge aus. Die Stromnetze und Verbraucher sind derzeit kaum in der Lage, diese Schwankungen aufzufangen. Um dieses dringende Problem zu lösen, arbeiten Forscher an „intelligenten Stromnetzen“. Welche Ansätze man hierbei verfolgt, erklärt Hans Schäfers vom Center for Demand Side Integration an der Hochschule für angewandte Wissenschaften in Hamburg.

In den vergangenen Jahrzehnten wurde elektrische Energie von einigen wenigen Kraftwerken auf der einen Seite erzeugt, und von vielen Verbrauchern auf der anderen Seite genutzt.

Hans Schäfers: „Wenn wir uns jetzt geeinigt haben auf die Energiewende, dann ist im Prinzip die Energiewende basierend auf zwei großen regenerativen Erzeugungssäulen: Das eine ist Photovoltaik und das andere ist Windkraft.“

Im Gegensatz zu traditionellen Kraftwerken sind diese Anlagen weiträumig verteilt und bestehen aus kleinen Einheiten. Dafür ist das heutige Stromnetz aber nicht ausgelegt. Zudem ist der Energieertrag von Photovoltaik und Windkraft wetterabhängig, und kann nur kurzfristig vorhergesagt werden. Auf Seiten der Verbraucher gibt es darüber hinaus große Schwankungen im Energiebedarf, die in erster Linie von der Tageszeit abhängen. Diese Schwankungen werden sich mit zunehmender Nutzung etwa von Elektrofahrzeugen noch weiter verstärken.

„Bei der Elektromobilität wird es schon einfach deswegen notwendig sein, weil wir nicht alle gleichzeitig die Autos laden können. Wenn ich morgens beispielsweise zur Arbeit fahre, fahren alle anderen auch. Wenn ich abends nach Hause komme, bin ich auch wieder in der Rushhour unterwegs. Und das bedeutet, wir sind auch alle gleichzeitig daheim und wir stecken unser Auto gleichzeitig an die Ladesäule. Und das, wie Rechnungen sehr deutlich zeigen, geht schlicht nicht mit unserem bestehenden Stromsystem, und wir können es auch nicht so ausbauen, dass das tatsächlich geht.“

Auf das Energieangebot reagieren

Hans Schäfers und sein Team forschen deshalb an intelligenten Stromnetzen, sogenannten Smartgrids. Ihr Ziel ist es, die Stabilität der Stromversorgung zu stärken, indem Systeme auf das Energieangebot reagieren.

„Das würde zum Beispiel heißen, dass man eine Wärmepumpe – die eigentlich dem Thermostat im Haus folgt und feststellt, die Raumwärme hat jetzt ein kritisches Niveau erreicht, ich gehe jetzt mal an – planvoll betreibt, das heißt, man vereinbart mit ihr einen Fahrplan.“

Hans Schäfers

Ein solcher Fahrplan kann absehbare Schwankungen in der Stromerzeugung auffangen. So füllt etwa die Wärmepumpe ihr Reservoir an Heizungswärme für das Haus vorzeitig auf, wenn starker Wind weht und entsprechend viel elektrische Energie in Windkraftanlagen erzeugt wird. Ist die Energie hingegen knapp, kann die Wärmepumpe später anspringen und ihren Wärmevorrat weiter ausschöpfen als gewöhnlich, ohne dass die Bewohner des Hauses einen Unterschied bemerken. Die Fahrpläne decken Zeiträume von Stunden bis Tagen ab, aber die Geräte könnten auch auf momentane Schwankungen reagieren.

So genügen einfache Kameras, um etwa den Himmel über Photovoltaikanlagen zu beobachten und Wolkenfelder einige Minuten oder sogar Stunden im Voraus zu erkennen. Auf den bevorstehenden Abfall der elektrischen Leistung können Haushaltsgeräte dann reagieren. Nach diesem Prinzip helfen verschiedenste Haushaltsanwendungen bei der effizienten Energienutzung. Dazu zählen neben Heizungen auch Wasch- und Spülmaschinen, Kühlaggregate oder auch Elektroautos.

„Man muss also von vornherein berücksichtigen, dass nicht alle in dem Moment, wo sie den Stecker von der Ladesäule ins Auto stecken, sofort ihr Auto vollgeladen bekommen. Was nicht heißt, dass es nicht Stellen oder auch Tasten gibt, mit denen man das haben kann – doch das wird sich im Preis bemerkbar machen. Wenn ich mein Auto immer sofort vollgeladen haben will, wird das deutlich teurer sein, als wenn ich sage: Hier ist mein Auto, und ich weiß, heute Nacht brauche ich das nicht mehr, morgen hätte ich es gern mindestens zu 80 Prozent voll. Wann es geladen wird, ist mir egal.“

Smartgrids und Datenschutz

Aus dem präzise nachverfolgten Stromverbrauch der Privathaushalte lässt sich unter anderem ablesen, zu welchen Tageszeiten die Bewohner zu Hause sind. Sogar Aktivitäten wie Kochen, Fernsehen oder Duschen können identifiziert werden. Dies birgt ein zweifaches Risiko: Zum einen könnten Außenstehende über die Stromdaten einen Haushalt ausspähen, zum anderen könnten die Energieversorger oder -lieferanten auch Bewegungsprofile erstellen, die etwa in der Marktforschungs- und Werbeindustrie sehr begehrt sind. Hans Schäfers erkennt darin ein großes Problem, dessen sich Stromkunden zunehmend bewusst werden.

„In Nordamerika zum Beispiel sind Smartgridprojekte bereits gescheitert, weil tatsächlich Kunden gesagt haben: Ich will gar nicht, dass mein Versorger auch nur die Chance hat, das zu sehen, was ich gerade hier mache. Da sind also richtig große Modellprojekte tatsächlich nicht durchgeführt worden, weil es Widerstand gab gegen genau das Vorhalten solcher Profile.“

Das Center for Demand Side Integration strebt daher eine möglichst anonyme Kommunikation zwischen den Netzteilnehmern an, sodass die Stromverbrauchsdaten gar nicht erst personenbezogen gesammelt und zentral gespeichert werden können.

„Die Projekte, in denen wir tätig sind, haben das alle auch zum Thema. Das heißt, es geht immer auch darum zu gucken, wie kann man solche Daten aufnehmen, ohne dass sie überhaupt an einer Stelle in diesem System klar zutage treten, also abgreifbar sind, womöglich noch mit einer klaren Zuordnung zu einzelnen Kunden.“

Stromverbrauch als Alternative

Die Auswirkungen der Energiewende auf das Stromnetz werden sich aber nicht allein mit intelligenten Haushaltsgeräten auffangen lassen. Es werden zusätzliche Wege benötigt, die Energie umzuwandeln, damit sie gespeichert und verteilt werden kann. Dies könnte zum Beispiel durch das Power-to-Gas-Konzept geschehen, mit dem aus überschüssigem Strom mittels Elektrolyse Wasserstoff gewonnen wird. Dieser Wasserstoff kann in einer chemischen Reaktion mit Kohlendioxid in Methan umgesetzt werden. Dieses Methan dient schließlich als direkter Ersatz für fossiles Erdgas im bestehenden Gasnetz. Allerdings ist der Wirkungsgrad dieser Methode durch die zahlreichen Umwandlungen eher gering. Günstiger kann es sein, den Strom anstelle von Erdgas direkt einzusetzen.

Ausgleich von Stromverbrauch und -bedarf

„Es ist derzeit unter Umständen – und wir denken darüber in vielen verschiedenen Konzepten nach – sinnvoller, Überschussstrom zu nehmen und an einer Stelle zu verwenden, wo man sonst Methan verbrannt hätte. Klassisches Beispiel: Ich hab ein Gebäude und das läuft mit einer Gasheizung, und im Prinzip macht die Gasheizung nichts anderes als Heizungswasser warm. Und in dem Moment, wo ich merke, ich hab viel zu viel Strom, mache ich das Heizungswasser warm mit Strom – und ich stoppe die Verbrennung von Methan. Ich habe jetzt Methan gespart. Das ist derselbe Effekt, als würde ich erstmal umständlich das Wasser spalten und dann den Wasserstoff nehmen, und mit CO₂ daraus wieder Methan machen, nur dass der Wirkungsgrad viel besser ist.“

Ähnliche Einspareffekte gibt es bei fossilen Kraftstoffen für Fahrzeuge, wie sie etwa in Hybridautos bereits genutzt werden. In solchen Verbindungen sieht Hans Schäfers einen zukunftsweisenden Weg bei der effizienten Nutzung erneuerbarer Energien.

“Die vorher relativ strikt voneinander getrennten Bereiche von Energiebedarf im Wärmesektor, Strom und Verkehr verschmelzen hier miteinander – auch informatorisch über das Stromsystem. Und da könnten auch noch mal größere Mengen von Flexibilität stecken, die wir dann brauchen, um diese Überschussmengen kostengünstig nutzbar zu machen.“

In Deutschland laufen zur Zeit über dreißig Projekte, die an Smartgrids und deren Einsatz forschen. Eines der größten war das im Jahr 2013 abgeschlossene Projekt „E-Energy“ mit über achttausend Verbrauchern in sechs Modellregionen. Eine aktuelle Studie der Europäischen Kommission geht davon aus, dass es bis zum Jahr 2020 in der Europäischen Union etwa 170 Millionen smartgridfähige Stromzähler geben wird – das entspricht über drei Vierteln aller Haushalte.