Die österreichische Technologieplattform zum Thema Smart Grids

In Österreich werden aktuell ca. 60% des Strombedarfes aus Erneuerbarer Energie (vor allem Großwasserkraft) gedeckt. In Zukunft wird aufgrund der gesetzten Ziele neben Stromeffizienzmaßnahmen noch eine stärkere Inlandsstromerzeugung, mit einem steigenden Anteil an erneuerbarer Energie und sehr effizienten Kraftwärmekopplungsanlagen notwendig sein, um den Bedarf an Strom nachhaltig zu decken.

Erneuerbare und/oder wärmegeführte Stromerzeugungsanlagen haben jedoch besondere Charakteristika:

• Die Energieträger (Wind, Sonne, Wasserführung, Wärmebedarf, etc...) unterliegen Schwankungen und daher ist auch die Stromerzeugung daraus schwankend.
• Sie unterliegen bei der Nutzung geografischen Einschränkungen (Wasserkraft, Wind, Biomasse, Gasleitung, etc...) und Strom kann aufgrund der Verfügbarkeit der Ressourcen überwiegend nur in räumlich weit verteilten Strukturen (also dezentral) gewonnen werden.
• Anlagen in niedrigeren Spannungsebenen arbeiten derzeit überwiegend ohne Systemmanagement und direkte Anbindung an zentrale Steuerungs- und Überwachungseinrichtungen.

Zusätzlich wird in Zukunft die Stromversorgungsstruktur auch auf interaktivere Stromkunden, sowie auf die größeren Mengen an dezentralen mobilen und stationären Speichermöglichkeiten (z.B. e - Autos), vorbereitet werden müssen.

Selbst wenn das Gesamtenergiesystem in Zukunft wesentlich effizienter sein wird, ist dennoch von einer verstärkten Nachfrage nach Energiedienstleistungen auf Basis elektrischen Stroms auszugehen, da Strom die hochwertigste zur Verfügung stehende Energieform darstellt.

Für das Stromversorgungssystem stellen diese Entwicklungen somit große Herausforderungen dar.

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 diesen 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 zu jedem Zeitpunkt notwendig.

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 ist das Netz nicht mehr stabil zu betreiben, Kraftwerke und einzelne Stromverbraucher schalten sich automatisch ab. Es kann schlimmstenfalls zu einem Ausfall der gesamten Stromversorgung für einen längeren Zeitraum, sogenannten Blackouts, kommen.

Die für die Regelung des Stromnetzes notwendige Kommunikationsinfrastruktur (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.

Als eine geeignete Lösungsvariante zur Lösung dieser Herausforderungen werden daher intelligentere Stromnetze, bzw. sogenannte „Smart Grids" gesehen!

Smart Grids ermöglichen es, energie- und kosteneffizient zwischen einer Vielzahl von Stromverbrauchern, Stromerzeugern und in Zukunft auch verstärkt Stromspeichern ein Gleichgewicht 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.

Einzeltechnologien für Smart Grids existieren bereits. Das Management von Stromübertragungsnetzen ist automatisiert, das ferngelenkte Steuern von großen Kraftwerken ist seit langer Zeit Routine. Es gilt nun, diese Konzepte ins Stromverteilnetz einzubringen, durch neue Elemente zu ergänzen und die einzelnen Elemente systematisch zu kombinieren. Dabei existieren große technische, organisatorische und nicht zuletzt wirtschaftliche Herausforderungen.

Offizielle Definition von Smart Grids durch die Nationale 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.

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

Intelligente Stromnetze:

• sind besser steuerbar, warnen frühzeitig und verfügen über Mechanismen zur Stabilisierung und liefern damit einen Beitrag zur Netzstabilität und Versorgungssicherheit.
• ermöglichen den in Zukunft massiv steigenden Anteil an dezentraler Stromerzeugung zu integrieren und damit die Bereitstellung zusätzlicher elektrischer Energie (verbesserte Kombinierbarkeit von dezentraler Energieerzeugung mit herkömmlichen Kraftwerken).
• 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.
• 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 Grid 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.

Bei rechtzeitiger Entwicklung der Smart Grids Technologien in Österreich wird erreicht, dass diverse Hersteller der „enabling technologies" (z.B. Leistungselektronik, Kommunikationstechnik, elektrotechnische Komponenten wie etwa Schutztechnik) sich am stark wachsenden internationalen „Smart Grids Markt" positionieren können und damit hochqualifizierte F&E und Produktionsarbeitsplätze schaffen. Zusätzlich kann eine signifikante Steigerung der Integrationsdichte von dezentralen Stromerzeugungsanlagen durch Smart Grids Regionen ermöglichen, existierende Primärenergieressourcen verstärkt zu nutzen.

Für die Möglichkeit der Entwicklung dieser Technologien und Konzepte ist die gemeinsame Kooperation von Industrie, Unternehmen der Energiewirtschaft und Forschungseinrichtungen, mit Unterstützung durch entsprechende nationale Rahmenbedingungen, unverzichtbare und entscheidende Voraussetzung.

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.

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:

http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=zhW82R1PLBw

Foto: Imagination Computer Services GesmbH (www.imagination.at)