Smart Grids und digitale Infrastrukturen

Die Förderung des Ausbaus intelligenter Energie, um die Energiewende effizienter zu gestalten, ist ein langfristiges Ziel von SmartGridsBW.

1. Smart Grids – zentrales Verknüpfungselement der Energiewende

Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen mit Plexus und Verbindungspunkten

Die Struktur der Energietransfers in den Stromnetzen verändert sich: Ein immer größerer Anteil der Erzeugungsleistung wird in Zukunft dezentral in den Verteilnetzen angebunden, insbesondere kleine PV-Anlagen speisen im Niederspannungsnetz ein. Die sternförmige Top-Down-Verteilung vom Großkraftwerk über Übertragungsnetz und Verteilnetze hin zu den Verbrauchspunkten, wie in den vergangenen Jahrzehnten üblich, wird derzeit weitgehend abgelöst. Die zunehmenden Anteile erneuerbarer Energien erhöhen auch die Volatilität der Einspeisung: Smart Grids ermöglichen die schnellere und damit effizientere Orchestrierung der Anlagen, um u. a. die Netzfrequenz stabil zu halten und die erneuerbaren Energien effizienter zu nutzen. Neben der Energiewende im Elektrizitätsbereich („Stromwende“) müssen jedoch auch die Verkehrswende sowie die Wärmewende mit hoher Priorität umgesetzt werden. Da diese perspektivisch zu einem großen Teil über Strom als Energieträger gespeist werden, werden die Leistungsanforderungen an die Stromnetze in den kommenden Jahren deutlich steigen.

Die „Intelligenz“ der Smart Grids basiert primär auf der Ausstattung der Netze mit Sensorik zur Datengewinnung, der Informationsverarbeitung sowie der Aktorik, welche ein Handeln (z. B. die Schaltung von Transformatoren oder Verbrauchseinrichtungen) auf Basis der verarbeiteten Daten erlaubt. Somit ist die intelligente Ertüchtigung gleichzusetzen mit der Digitalisierung der Energienetze. Neben den Energieflüssen selbst wird der Transfer der Daten essenziell. Aus diesen lassen sich beispielsweise Digitale Zwillinge modellieren und für verschiedenste Zwecke einsetzen. Eine zunehmend datenbasierte Netzführung sorgt für Effizienzgewinne durch kürzere Reaktionszeiten, verbesserte Prognosen und ermöglicht dadurch auch neue Geschäftsmodelle (z. B. die dezentrale Hebung von Flexibilitäten, KI-basierte Analysen und Steuerungstools etc.).

2. Digitalisierung der Netzanschlusspunkte: Smart Meter Rollout

Mit dem im Mai 2022 beschlossenen Bundesgesetz zum Neustart der Digitalisierung der Energiewende erhält „Problemkind“ das Smart Meter Rollout nun neuen Schwung. Smart Meter stellen kundenseitig eines der sichtbarsten Elemente der Smart Grids dar. Sie ermöglichen die Transparenz über die individuellen Energieverbräuche an den Netzanschlusspunkten. Gleichzeitig wird die gezielte Steuerung von dezentralen Verbrauchsanlagen (wie z. B. Wallboxen und Wärmepumpen) und Erzeugungsanlagen im Gebäudebereich (z. B. PV-Dachanlagen oder Mini-BHKW) durch das Smart Meter Gateway und die zugehörige Steuerbox, z. B. über den CLS-Kanal möglich. Der Anschluss eines Heimenergiemanagementsystems (HEMS) an das Smart Meter Gateway erlaubt die komfortable Bündelung aller Energieanlagen eines Haushalts an einem Gerät. Verbraucherinnen und Verbraucher profitieren von genauen Informationen über ihren individuellen Energieverbrauch, was zu einer verstärkten Bewusstseinsbildung in Bezug auf den eigenen Energiekonsum beiträgt. Weiterhin sind Smart Meter eine Grundlage für die Nutzung dynamischer Tarifmodelle, die durch Kostenanreize eine Lastverschiebung bewirken können. Netzbetreibern dienen Smart Meter als weiteres Werkzeug zur Erhöhung der Netztransparenz und ggf. zur Steuerung von Anlagen über die Steuerboxen und Energiemanagementsysteme. Weiterhin sind die Smart Meter Gateways der Stromzähler, gleichzeitig die Kommunikationsanbindung für die Sensoren und Aktoren der Gas- und Wärmenetze und stellen damit das Bindeglied zwischen den verschiedenen Energienetzen dar. Dadurch können auch Wärme-, Gas- und H2-Netze in die intelligente Orchestrierung im Sinne der Sektorenkopplung einbezogen werden. Neben der Energienutzung in Form von Elektrizität bedingt die Erzeugung von Wärme mittels Wärmepumpen und die Transformation des Mobilitätssektors hin zur Elektromobilität eine Vergrößerung der Leistungsanforderungen an die lokalen Netze und damit auch die Notwendigkeit, diese zur Engpassvermeidung intelligent zu steuern. Mit der Novelle des Energiewirtschaftsgesetzes und der Reform der §§14a,c wird diese Möglichkeit konkretisiert. Über Smart Meter Gateways und Steuerboxen stellen Smart Grids gleichzeitig digitale Infrastrukturen für die IoT-Anbindung verschiedenster Anlagen her und sind damit wichtige Komponenten der Industrie 4.0.

3. Digitalisierung der Netzanschlusspunkte: Smart Meter Rollout

Mit dem im Mai 2022 beschlossenen Bundesgesetz zum Neustart der Digitalisierung der Energiewende erhält „Problemkind“ das Smart Meter Rollout nun neuen Schwung. Smart Meter stellen kundenseitig eines der sichtbarsten Elemente der Smart Grids dar. Sie ermöglichen die Transparenz über die individuellen Energieverbräuche an den Netzanschlusspunkten. Gleichzeitig wird die gezielte Steuerung von dezentralen Verbrauchsanlagen (wie z. B. Wallboxen und Wärmepumpen) und Erzeugungsanlagen im Gebäudebereich (z. B. PV-Dachanlagen oder Mini-BHKW) durch das Smart Meter Gateway und die zugehörige Steuerbox, z. B. über den CLS-Kanal möglich. Der Anschluss eines Heimenergiemanagementsystems (HEMS) an das Smart Meter Gateway erlaubt die komfortable Bündelung aller Energieanlagen eines Haushalts an einem Gerät. Verbraucherinnen und Verbraucher profitieren von genauen Informationen über ihren individuellen Energieverbrauch, was zu einer verstärkten Bewusstseinsbildung in Bezug auf den eigenen Energiekonsum beiträgt. Weiterhin sind Smart Meter eine Grundlage für die Nutzung dynamischer Tarifmodelle, die durch Kostenanreize eine Lastverschiebung bewirken können. Netzbetreibern dienen Smart Meter als weiteres Werkzeug zur Erhöhung der Netztransparenz und ggf. zur Steuerung von Anlagen über die Steuerboxen und Energiemanagementsysteme. Weiterhin sind die Smart Meter Gateways der Stromzähler, gleichzeitig die Kommunikationsanbindung für die Sensoren und Aktoren der Gas- und Wärmenetze und stellen damit das Bindeglied zwischen den verschiedenen Energienetzen dar. Dadurch können auch Wärme-, Gas- und H2-Netze in die intelligente Orchestrierung im Sinne der Sektorenkopplung einbezogen werden. Neben der Energienutzung in Form von Elektrizität bedingt die Erzeugung von Wärme mittels Wärmepumpen und die Transformation des Mobilitätssektors hin zur Elektromobilität eine Vergrößerung der Leistungsanforderungen an die lokalen Netze und damit auch die Notwendigkeit, diese zur Engpassvermeidung intelligent zu steuern. Mit der Novelle des Energiewirtschaftsgesetzes und der Reform der §§14a,c wird diese Möglichkeit konkretisiert. Über Smart Meter Gateways und Steuerboxen stellen Smart Grids gleichzeitig digitale Infrastrukturen für die IoT-Anbindung verschiedenster Anlagen her und sind damit wichtige Komponenten der Industrie 4.0.

4. Netztransparenz: Die Black Box in der Niederspannung auflösen

Electric power meter measuring power usage with High voltage post. Watt hour electric meter measurement tool.

Bislang waren die Niederspannungsnetze für die Verteilnetzbetreiber noch in vielen Bereichen eine „Backbox“. Bis auf die Summe der insgesamt transportierten Energiemengen an den Netzanschlusspunkten (NAP) und einigen zentralen Ortsnetzstationen (ONS) waren nur wenige Informationen über die Netzzustände verfügbar. Die Schaffung weitestgehender Netztransparenz wurde im Rahmen der Smart Grids-Roadmap Baden-Württemberg 2.0 als eine der grundlegenden Herausforderungen für die Digitalisierung der Energienetze benannt. So erlaubt eine erhöhte Netztransparenz eine effizientere Netzführung durch bessere Ist-Zustandsanalysen, weiterreichende Prognosemöglichkeiten und damit schnellere Reaktionszeiten in der Netzführung. Letzteres dient auch dem Netzengpassmanagement, welches auf diese Weise präziser und damit effizienter gestaltet werden kann und so die Systemstabilität bei gleichzeitig steigenden Anteilen volatiler Erzeugung und einer Begrenzung der Kosten gewährleistet. Ebenso erwachsen aus einer erhöhten Netztransparenz Möglichkeiten für neue Marktmodelle. So können potenzielle Netzengpässe (bzw. die sie begünstigenden Randbedingungen) deutlich früher erkannt und entschärft werden. Weiterhin ermöglicht Netztransparenz auch eine verbesserte Integration dezentraler erneuerbarer Energiequellen sowie von Energiespeichern und Elektromobilität in die Netze, da die Lastflüsse wesentlich präziser erfasst und prognostiziert und dadurch Netzengpässe und Drosselungs- und Abregelungsvorgänge vermieden werden können. Doch die Schaffung von Netztransparenz ist mit verschiedenen Herausforderungen verbunden. Nicht zuletzt die Verfügbarkeit von Hardwarekomponenten, Software sowie Installations- und Betriebspersonal stellen große Abhängigkeiten dar. Da eine flächendeckende Ausstattung der Transformatoren in den lokalen Ortsnetzstationen mit Messtechnik aufgrund der Ressourcenabhängigkeiten nicht vollständig realisierbar ist, können auch datenbasierte Prognosemodelle für die Modellierung der verbliebenen „blinden Flecken“ genutzt werden.

Digitale Infrastrukturen und KI-Einsatz

Die Digitalisierung der Energienetze schafft die Grundlage dafür, die Netze in Zukunft effizienter zu führen, neue datenbasierte Geschäftsmodelle zu nutzen sowie Flexibilitäten zu heben und noch dynamischer einzusetzen. Diese neu entstandenen Arten der Anlagen- und Netznutzung beruhen auf der verbesserten Transparenz über die Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen mit hoher zeitlicher Auflösung und schließlich auf den Steuerungsmöglichkeiten für die in den Netzen angebundenen Komponenten. Voraussetzung hierfür ist, dass die erforderlichen digitalen Infrastrukturen geschaffen und die bislang analog durchgeführten energiewirtschaftlichen Prozesse in Zukunft datenbasiert ausgeführt werden. Dies beinhaltet hardware- und softwareseitige Technologien, die zugehörigen Kommunikations- und Datentransfer-Infrastrukturen sowie die prozessuale Einbindung der Datenverarbeitung. Neben den technischen und wirtschaftlichen Fragen kommen rechtliche Rahmenbedingungen hinzu. Besonders die nichttechnischen Aspekte der Digitalisierung, wie das Datenhandling, der Datenschutz, aber auch die Integration der Datenverarbeitung in bestehende Geschäftsprozesse sowie die Umsetzung neuer datenbasierter Prozesse und Plattformen (z. B. SSI) erfordern einen deutlichen Know-how-Aufbau seitens der Akteure.

Smart Grids bilden ihrerseits auch eine Infrastrukturkomponente für die Digitalisierung von Industrieprozessen (Internet of Things (IoT), Industrie 4.0), da die kommunikative Anbindung mittels Smart Meter Gateways und Steuerboxen neue Möglichkeiten zur Maschinenführung und damit neue Industrieprozesse ermöglicht. Neben der Entwicklung und Implementierung der bereits genannten Teilbereiche gilt es auch die dazugehörigen Kommunikationsinfrastrukturen (5G und LoRaWAN-Netze) zu etablieren, Teile einer digitalen Infrastruktur, die in Deutschland ebenso Optimierungspotenzial aufweisen.

Neben der technischen Übergabe von Daten und Steuersignalen auf Hardware- / Software- und Protokollebene müssen organisatorische Prozesse zur Datennutzung definiert und implementiert werden, sowohl in der einzelnen Institution als auch mit akteursübergreifendem Datenaustausch. Das Handling dieser Daten („Data Governance“) wirft gleichzeitig Rechtsfragen in Bezug auf Datenschutz, Datensicherheit und Datennutzung auf – Themen, die nun an vielen Stellen erst definiert werden müssen und bei denen die Akteure noch deutliches Entwicklungspotenzial sehen.

Daten werden durch die Digitalisierung zum Rohstoff, die Datenverarbeitung sorgt dafür, dass diese Grundlage genutzt wird. Die physische Digitalisierung durch Sensorik generiert Daten, die verarbeitet werden, während Aktorik die Ergebnisse der Datenverarbeitung wieder in physische Aktionen (wie z. B. die Anlagensteuerung) umwandelt. Die Verarbeitung der Daten ist hierbei vielschichtig: Von einfachen Input-Reaktionsschemata bis hin zu stark abstrahierenden Modellen, die mit Hilfe künstlicher Intelligenz ausgewertet werden, sind viele Nutzungsarten denkbar. Daraus lassen sich neue Geschäftsmodelle ebenso entwickeln wie Prognosemodelle zur Optimierung der Netzführung, für eine verbesserte Fehlerdiagnose und damit auch zur Stärkung der Systemresilienz.

5. Publikationen

  • Eine ausführliche Betrachtung zur netzdienlichen Steuerung nach §14a EnWG finden Sie hier.
  • Die Smart Grids Roadmap Baden-Württemberg 2.0 mit den Themen Digitalisierung, Netztransparenz und der Schaffung neuer Marktmodelle in Kapitel 1.
  • Den Rollout im Blick: Die Kenntnis der Bevölkerung von Smart Metern / Intelligenten Messystemen: Wie bekannt sind „Smart Meter“ bei der Bevölkerung? Die ausführliche Darstellung und Analyse finden Sie unter diesem Link.
  • Smart Meter Rollout in Deutschland: Ein juristischer Rück- und Überblick.
  • Die Akzeptanz von Smart Metern durch Endverbraucherinnen und Endverbraucher im Kontext von Smart Grids in Deutschland: Welche Einflussfaktoren wirken sich auf die Akzeptanz von Smart Metern aus? Eine Analyse mittels eines risikointegrierten Technologieakzeptanzmodells (RITAM) finden Sie hier.

 

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