Die österreichische Technologieplattform zum Thema Smart Grids

Smart Grids sind intelligente Energienetze, die alle Akteure des Energiesystems über ein Kommunikationsnetzwerk miteinander verbinden.

Sie ermöglichen es auf Basis der Kommunikationstechnologien ein energie- und kosteneffizientes Gleichgewicht zwischen einer Vielzahl von Stromverbrauchern, Stromerzeugern und in Zukunft auch verstärkt Stromspeichern herzustellen. Dieses Gleichgewicht wird durch optimiertes Management von Energieerzeugung, Energiespeicherung, Energieverbrauch und dem Stromnetz selbst erreicht. Eine durchgängige Kommunikationsfähigkeit vom Kraftwerk bis hin zu den Verbrauchern ist notwendig, um eine nachhaltige, wirtschaftliche und sichere Elektrizitätsversorgung zu gewährleisten.

Neue Konzepte für das Stromverteilernetz: Einzeltechnologien für Smart Grids existieren bereits beim Management von Stromübertragungsnetzen und bei der ferngelenkten Steuerung von großen Kraftwerken. Es gilt nun, diese Konzepte ins Stromverteilernetz einzubringen, um neue Elemente zu ergänzen und diese einzeln systematisch zu kombinieren. Dabei existieren große technische, organisatorische, wirtschaftliche und nicht zuletzt rechtliche Herausforderungen.

Definition von Smart Grids der Nationalen Technologieplattform Smart Grids Austria:

Smart Grids sind Stromnetze, welche durch ein abgestimmtes Management mittels zeitnaher und bidirektionaler Kommunikation zwischen

•    Netzkomponenten
•    Erzeugern
•    Speichern und
•    Verbrauchern

einen energie- und kosteneffizienten Systembetrieb für zukünftige Anforderungen unterstützen.

Stromversorgung von heute:

Die derzeitige Stromversorgung ist auf einer überwiegend zentral ausgerichteten Struktur  aufgebaut. Das bedeutet, dass die Stromerzeugung hauptsächlich in großen Kraftwerken erfolgt und elektrische Energie von Erzeugungsanlagen, über die Stromnetze an die Stromverbraucher geliefert wird. Der Vorteil einer zentralen Struktur ist, dass dabei mit Hilfe weniger großer Kraftwerke „relativ einfach" die notwendige Balance zwischen der Energieerzeugung und dem Energieverbrauch hergestellt werden kann. Diese Balance ist im Stromnetz zu jedem Zeitpunkt notwendig, um die Stabilität, Sicherheit und Versorgung zu gewährleisten.

Im Falle von ungeplantem Mehr- oder Minderverbrauch ist die Balance nicht mehr gegeben und es verändert sich die Netzfrequenz – abweichend von 50 Hz. Schon bei minimalen Abweichungen der Netzfrequenz werden entsprechende Maßnahmen, wie Regelung der Kraftwerksleistung ergriffen, um die Frequenzabweichung auszugleichen. Bei einer großen Abweichung kann das Netz nicht mehr stabil betrieben werden – aus Sicherheitsgründen schalten sich dann Kraftwerke und einzelne Stromverbraucher automatisch ab. In diesem Szenario kann es im schlimmsten Fall zu einem Ausfall der gesamten Stromversorgung über einen längeren Zeitraum, so genannten Blackouts, kommen.

Die für die Regelung des Stromnetzes notwendige Kommunikationsinfrastruktur, die Anbindung von Kraftwerken und Netzanlagen, ist bisher schwerpunktmäßig nur in Hochspannungsnetzen vorhanden. Die bisher zentral überwachten und gesteuerten Stromnetze können die angeführten großen Herausforderungen in Zukunft immer weniger beherrschen, da sie dafür nicht konzipiert wurden.

Große Herausforderungen für die bestehende Stromversorgung:
In Österreich werden aktuell ca. 65% (Stand 2010) des Strombedarfes aus erneuerbarer Energie, vor allem aus Großwasserkraft, gedeckt. In Zukunft wird aufgrund der gesetzten Ziele neben Stromeffizienzmaßnahmen noch eine stärkere Inlandsstromerzeugung, mit einem steigenden Anteil an erneuerbarer Energie sowie sehr effizienten Kraftwärmekopplungsanlagen notwendig sein, um den Bedarf an Strom nachhaltig zu decken.

Erneuerbare und wärmegeführte Stromerzeugungsanlagen haben besondere Charakteristika:

•    Verfügbarkeit: Energieträger wie Wind, Sonne, Wasserkraft oder Wärme unterliegen natürlichen Schwankungen, die sich auf die Stromerzeugung auswirken.

•    Dezentrale Erzeugung: Die Nutzung unterliegt geografischen Einschränkungen (Wasserkraft, Wind, Biomasse, Gasleitung, ...) und Strom kann überwiegend nur in räumlich weit verteilten Strukturen gewonnen werden.

•    Fehlendes Kommunikationsnetz: Anlagen in niedrigeren Spannungsebenen arbeiten derzeit überwiegend ohne Systemmanagement und direkte Anbindung an zentrale Steuerungs- und Überwachungseinrichtungen.

Eine der größten Herausforderungen der zukünftigen und nachhaltigen Energiegewinnung wird ihre Verfügbarkeit und die dezentrale Erzeugung sein. Denn die Stromproduktion einer Photovoltaikanlage oder Windkraftanlage richtet sich nicht nach dem aktuellen Stromkunden der Endverbraucher.

Zusätzlich wird die Stromproduktion interaktiver: Mit Photovoltaikanlagen am Dach bleiben Haushalte nicht nur Stromkonsumenten, sondern werden auch zu Stromproduzenten – zum so genannten Prosumer. In Zukunft wird die Stromversorgungsstruktur auch auf die größeren Mengen an dezentralen mobilen und stationären Speichermöglichkeiten, wie E-Autos, vorbereitet werden müssen.

Nur ein intelligentes Stromsystem, ein Smart Grid, kann die Steuerung dieser flexiblen Energieproduktion effizient und sicher übernehmen und kann den optimalen Einsatz der erneuerbaren Energien sicherstellen.

 Aufgrund der komplexen Verbindung der Energieinfrastruktur mit den Informations- und Kommunikationstechnologien erfordert die Realisierung des Smart Grid einen koordinierten und strukturierten Weg. Die Herausforderungen liegen einerseits im technischen Bereich, in der Entwicklung neuer Technologien, andererseits sind aber auch notwendige Änderungen und Anpassungen rechtlicher und ökonomischer Rahmenbedingungen von zentraler Bedeutung.
 
Der Weg zum Smart Grid: Intelligentes Netz = I³ = Information + Interaktion + Integration

Information

Informationen über den jeweils aktuellen Zustand der relevanten Indikatoren und Fähigkeit zur Kommunikation im gesamten Stromnetz: Je genauer man die aktuelle Erzeugung, den Verbrauch, die Speicherbeladung oder die aktuellen Belastungen des Stromsystems kennt, umso besser und genauer lassen sich Steuerungs- und Reglungsmaßnahmen ergreifen. Es ist daher ein Informationsaustausch zwischen den Komponenten bereitzustellen. Das bedeutet, eine Grundvoraussetzung für Smart Grids sind geeignete „Sensoren", sowie die zur Übertragung erforderliche Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT).


Interaktion

Steuer- und Regelmöglichkeit der Netzinfrastruktur, der Stromerzeugungsanlagen und zukünftig dezentraler Erzeuger wie Verbraucher (Prosumer) und Speicher:

Einzelne Kraftwerke kann man relativ einfach regeln – eine Vielzahl an dezentral agierenden Kleinkraftwerken, Verbrauchern und Speichern jedoch nicht mehr. Die Idee ist nun, viele kleine Stromerzeuger zu gemeinsamen Kraftwerken, so genannte „virtuelle Kraftwerke", zu bündeln und diese gemeinsam mit Verbrauchern und Speichern, so genannte „Virtual Power Systems", zu betreiben. In Verbindung mit neuen Regelungsmöglichkeiten im Bereich der Netzinfrastruktur müssen die individuellen und dezentralen Einflüsse technisch beherrschbar gemacht werden.


Smart Meter:

Der Smart Meter fungiert als Bindeglied zwischen den Konsumenten und dem Stromnetz. Aufgrund der nicht präzise planbaren Stromproduktion der erneuerbaren Energien ist die Kommunikationsmöglichkeit des Smart Meters mit dem Smart Grid eine Schlüsselfunktion, um Schwankungen im Netz zu vermeiden. Zusätzlich können zukünftig weiterentwickelte Smart Metering Komponenten zur Messung von relevanten Parametern, Regelungen und Steuerung der untersten Netzebene eine höhere Relevanz erhalten.

 
Smart Home:

Im Smart Home werden verschiedene Aspekte der Haustechnik, wie Heizung, Haushaltsgeräte und Elektroautos, miteinander zu einem intelligenten System vernetzt. Der Energieverbrauch wird automatisch gesteuert und ständig optimiert. Aktive Bauteile und intelligente Managementkonzepte in den Haushalts- und Elektrogeräten können die Verbrauchssteuerung und die Energieeffizienz so wesentlich beeinflussen.    

Elektromobilität:

Mit einer steigenden Anzahl von Elektroautos können ihre Batterien künftig als temporärer Stromspeicher dienen. Ein bestimmter Teil der Elektroautos kann statisch zum Laden an das Stromnetz angeschlossen werden: In diesem Zeitraum kann der Strom aus erneuerbaren Energieträgern gespeichert oder bei Bedarf ins Stromnetz gespeist werden.

Integration

Neue Ansätze im Strommarkt: Im aktuellen Strommarkt agieren vor allem Akteure, die im Bereich der Stromproduktion hohe Volumina handeln können. Ein in Zukunft automatisierter Strommarkt soll neue Möglichkeiten und Geschäftsmodelle eröffnen, indem auch An- und Verkäufer von Energie mit geringeren Volumen selbstständig untereinander kommunizieren und kooperieren können.

Dynamische Steuerung: Smart Grids sind besser steuerbar, warnen frühzeitig, verfügen über Mechanismen zur Stabilisierung und liefern damit einen Beitrag zur Netzstabilität und Versorgungssicherheit.

Integration erneuerbarer Energien: Smart Grids ermöglichen es den in Zukunft massiv steigenden Anteil an dezentraler Stromerzeugung zu integrieren und damit die Bereitstellung zusätzlicher elektrischer Energie. Es handelt sich hier um eine verbesserte Kombination von dezentraler Energieerzeugung mit herkömmlichen Kraftwerken.

Netzsynergien: Smart Grids bieten eine wesentliche Plattform und mögliche Synergien für die Etablierung von intelligenten Energieeffizienzanreizsystemen und schaffen damit Anreize für einen effizienteren Energieeinsatz und dem besseren Ausnützen vorhandener Energie.

Netzoptimierung: Smart Grids schaffen effektive Anreize für die Optimierung des Gesamtsystems - z. B. flexible Tarifmodelle, Virtuelle Kraftwerke, besseres Ausnützen bestehender oder zukünftig notwendiger Strominfrastruktur, Optimierung der Investitionen, etc.

Smart Grids – Technologien und Konzepte werden für den Einsatz in intelligenten Stromnetzen in Zukunft national und international stark an wirtschaftlicher Bedeutung gewinnen.

Die Europäische Technologieplattform (ETP) Smart Grids schätzt, dass bis 2030 Investitionen in der Höhe von € 390 Mrd. in Europa, davon € 90 Mrd. in Stromübertragung und € 300 Mrd. in die Stromverteilung für die Erneuerung und Erweiterung der elektrischen Stromversorgungsinfrastruktur hin zu intelligenten Stromnetzen notwendig werden.

Smart Grids Leitmarkt Österreich

Mit Smart Grids eröffnet sich somit international ein relevantes Technologiefeld, das aufgrund des bereits bestehenden Know-hows der österreichische Energie- und Kommunikationsindustrie die Möglichkeit bietet, sich in diesem Markt frühzeitig zu etablieren und zu positionieren.

Für die Forschung, Entwicklung und Realisierung der Smart Grids-Technologien bestehen in Österreich die besten Voraussetzungen:

Österreich verfügt über
•    eine Industrie mit hohem technologischen Know-how, anerkannten Produkten und Innovationen
•    aktive und einander ergänzende F&E Institutionen
•    innovative Stromnetzbetreiber und Energieversorger und
•    ein unterstützendes F&E Umfeld

Bei rechtzeitiger Entwicklung der Smart Grids Technologien in Österreich ergibt sich für diverse Hersteller der „Enabling Technologies" wie zum Beispiel Leistungselektronik, Kommunikationstechnik, elektrotechnische Komponenten wie etwa Schutztechnik, die Chance sich am stark wachsenden internationalen „Smart Grids Markt" zu positionieren und damit hochqualifizierte F&E und Produktionsarbeitsplätze zu schaffen. Zusätzlich kann eine signifikante Steigerung der Integrationsdichte von dezentralen Stromerzeugungsanlagen durch Smart Grids Regionen ermöglichen, existierende Primärenergieressourcen verstärkt zu nutzen.

In der Marktüberleitung ist aber eine gemeinsame Kooperation von Industrie, Unternehmen der Energiewirtschaft und Forschungseinrichtungen, mit Unterstützung durch entsprechende nationale Rahmenbedingungen, eine unverzichtbare und entscheidende Voraussetzung.

Intelligentes Netz = I³ = Information + Interaktion + Integration

„Information" - Informationen über den jeweils aktuellen Zustand der relevanten Indikatoren und Fähigkeit zur Kommunikation im gesamten Stromnetz
Je genauer man die aktuelle Erzeugung, den Verbrauch, die Speicherbeladung oder die aktuellen Belastungen des Stromsystems kennt, umso besser und genauer lassen sich Steuerungs- und Reglungsmaßnahmen ergreifen. Es ist daher ein Informationsaustausch zwischen den Komponenten bereitzustellen. Das bedeutet, eine Grundvoraussetzung für Smart Grids sind geeignete „Sensoren", sowie die zur Übertragung erforderliche Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT).

„Interaktion" - Steuer- und Regelmöglichkeit der Netzinfrastruktur sowie der Stromerzeugungsanlagen und (in Zukunft wachsend) der Verbraucher und Speicher.
Einzelne Kraftwerke kann man relativ einfach regeln. Eine Vielzahl an dezentral agierenden Kleinkraftwerken, Verbrauchern und Speichern jedoch nicht mehr. Die Idee ist nun, viele kleine Stromerzeuger zu gemeinsamen Kraftwerken (sogenannte „virtuelle Kraftwerke") zu bündeln und diese gemeinsam mit Verbrauchern und Speichern (sogenannte „Virtual Power Systems") zu betreiben. In Verbindung mit neuen Regelungsmöglichkeiten im Bereich der Netzinfrastruktur müssen die individuellen und dezentralen Einflüsse technisch beherrschbar gemacht werden.

Auf der Verbraucherseite sind intelligente Stromzähler „Smart Meters" ein möglicher weiterer Bestandteil eines intelligenten Stromnetzes. Zusätzlich könnten in Zukunft weiterentwickelte Smart Metering Komponenten zur Messung von relevanten Parametern, Regelungen und Steuerung der untersten Netzebene eine höhere Relevanz erhalten.

Ähnliche Synergien für den Aufbau intelligenter Netze können weitere Entwicklungen auf der Verbraucherseite darstellen, wenn beispielsweise unter dem Überbegriff „Smart Home" die Haushalts- und Elektrogeräte durch aktive Bauteile und intelligente Managementkonzepte die Verbrauchssteuerung und die Energieeffizienz wesentlich beeinflussen können.

In ähnlicher Weise kann zukünftig vielleicht durch einen hohe Anzahl von Elektroautos, von denen statistisch immer ein bestimmter Anteil zum Aufladen am Stromnetz angeschlossen ist, die Speicherung der aus (volatilen) erneuerbaren Energieträgern erzeugten Energie in den Batterien der Autos ermöglicht werden, um so die Zeitdifferenz zwischen Energieerzeugung und Energiebedarf auszugleichen.

„Integriert" - Neue Ansätze im Strommarkt
Im aktuellen Strommarkt agieren vor allem Akteure, die im Bereich der Stromproduktion hohe Volumina handeln können. Ein in Zukunft automatisierter Strommarkt soll neue Möglichkeiten und Geschäftsmodelle eröffnen, indem auch An- und Verkäufer von Energie mit geringeren Volumen selbstständig untereinander kommunizieren und kooperieren können.

Die hier angeführten Aspekte sind allerdings nicht nur eine große technische Herausforderung, es wird oftmals eine Änderung und Anpassung rechtlicher und ökonomischer Rahmenbedingungen erforderlich sein. Die geeignete Gestaltung der Rahmenbedingungen ist daher von zentraler Bedeutung, ob solche Neuerungen durch alle Player aufgenommen und in die Realität umgesetzt werden können

2010 wurde die Roadmap „Der Weg in die Zukunft der elektrischen Stromnetze“ von der Nationalen Technologieplattform Smart Grids Austria veröffentlicht. Sie zeigt einen koordinierten, strukturierten und kontinuierlich abgestimmten Weg zu Smart Grids auf: Von der Beschreibung der Ausgangsituation, notwendigen technologischen Innovationen bis zur Verwirklichung einer sicheren und nachhaltigen elektrischen Energieversorgung in Österreich. Mit der Roadmap ist es gelungen entscheidende Faktoren für die Implementierung der Smart Grids in Österreich zu identifizieren.

Roadmap zum Download:
 : Roadmap Smart Grids Austria.pdf (4,8 MB)

Woher kommt denn eigentlich der ganze Strom? Wohnt der in der Steckdose?
Mit diesen Fragen startet der Animationsfilm über die Power Snap Shot Analyse und zeigt die kommenden Herausforderungen der Energieversorgung auf.

Aufgrund der verstärkten Integration erneuerbarer Energien müssen die Stromnetze aktiver und dynamischer werden. Mittels Smart Meter werden zukünftig Kommunikation und Managementfunktion im Netzbetrieb realisiert. Die Power Snap Shot Analyse - Aufzeichnung und Verarbeitung von Smart Meter Daten - ist ein wichtiger Fortschritt in der Forschung und Entwicklung zur intelligenten Stromversorgung - dem Smart Grid - im aktiven Niederspannungsnetz.

Power Snap Shot Analyse im Praxistest:
Aktuell und in den nächsten zwei Jahren wird im Rahmen der vom Klima- und Energiefonds geförderten Forschungsprojekten ISOLVES und Smart LV Grid die Power Snap Shot Analyse als Teil des Smart Metering Systems in Oberösterreich, Salzburg und Wien getestet.

Der Smart Meter übernimmt hier eine wesentliche Rolle, indem er Last- und Spannungszustände erfasst und diese an eine Steuerung in der Transformatorstation übertragen wird. Somit wird ein aktiver Verteilernetzbetrieb entstehen, der Steuerbefehle und -parameter an sämtliche Komponenten – wie etwa Wechselrichter – übertragen kann. Das Smart Metering System bildet hier eine Basistechnologie, die eine optimierte Netzsteuerung mit vielen dezentralen Erzeugern erst ermöglicht.

Den Animationsfilm zur Power Snap Shot Analyse finden Sie unter folgendem Link: