Smart Grid. Die Vision des intelligenten Stromnetzes

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Zielsetzung
1.2 Methodisches Vorgehen

2 Strukturwandel in der Energiewirtschaft
2.1 Politik der Energiewende
2.2 Treiber für den Umbau und Ausbau der Netze

3. Vision Smart Grid
3.1 Begriffsbestimmung
3.2 Akteure im Smart Grid

4 Chancen und Herausforderungen
4.1 Chancen
4.2 Herausforderungen

5 Schlussbetrachtung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Der Strommix in Deutschland im Jahr 2017

Abbildung 2: Akteure im intelligenten Stromnetz

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Problemstellung und Zielsetzung

Digitalisierung und Energiewirtschaft – zwei Begriffe die man bis ins späte 20. Jahr- hundert nur selten in einem gemeinsamen Kontext finden konnte. Eine lange durch ihre monopolistischen Strukturen geprägte und entsprechend innovationsscheue Branche ließ sich nur schwer mit der Dynamik und Innovationsfreudigkeit der Digitalisierung vereinen.¹ Mittlerweile gibt es in Deutschland wohl kaum eine Branche, die einem so fundamentalen Wandel unterliegt, wie die Energiewirtschaft. Mit der Forderung der Liberalisierung der Energiemärkte hatte der Veränderungsprozess in Deutschland be- reits 1998 begonnen. Ein weiteres einschneidendes Ereignis stellt die Energiewende mit ihren weitreichenden Konsequenzen für die Energiewirtschaft dar.²

Energieversorger stehen im Zuge der Energiewende und der dadurch zunehmend de- zentralen Energieerzeugung an einer Schwelle, die die Branche zwingt sich neu zu strukturieren und neue digitale Prozesse einzuführen. Vor allem das Energieversor- gungsnetz wird einem fundamentalen Wandel unterzogen. Aus reinen Konsumenten werden Prosumer, welche nicht nur Strom aus dem Netz entnehmen sondern auch ein- speisen. Es entwickeln sich völlig neue Systemstrukturen, welche eine intelligente Ver- netzung aller Akteure am Markt bedingen. In diesem Zusammenhang wird häufig von einem intelligenten Stromnetz, einem sogenannten „Smart Grid“ gesprochen.³ Der Im- plementierung digitaler Technologien für den Betrieb der neuen Energienetze wird hier- bei eine herausragende Bedeutung zugesprochen. ⁴ Das Smart Grid wird häufig als die Hoffnung der Energiewende bezeichnet, da es einen konkreten Lösungsansatz für die Integration der volatilen erneuerbaren Energieträger bietet. So schlüssig die Vorstellung der idealen Energiewende auch sein mag, der Weg dahin gestaltet sich sehr komplex.⁵

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, die Vision des Smart Grids aufzuzeigen und dabei den Fokus vor allem auf die Chancen und Herausforderungen des intelligenten Strom- netzes zu legen.

1.2 Methodisches Vorgehen

Im zweiten Kapitel wird zunächst die Energiewende als Herausforderung der Energie- wirtschaft und als ein entscheidender Auslöser des Strukturwandels in der Energiewirt- schaft beschrieben. Der Schwerpunkt liegt dabei auf den sich verändernden Anforde- rungen an das Versorgungsnetz und den Treibern für den Umbau und Ausbau der Netze. Im dritten Kapitel wird einleitend der Begriff Smart Grid definiert und dessen Bedeu- tung für die Energiewirtschaft hervorgehoben. Der Fokus in diesem Kapitel liegt auf der Darstellung und Differenzierung der Akteure und dessen Aufgaben im Smart Grid. Im vierten Kapitel werden aufbauend auf den vorangestellten Kapiteln Chancen und Her- ausforderungen des intelligenten Netzes erläutert und gegenübergestellt. In der Schluss- betrachtung werden die gewonnen Erkenntnisse dieser Arbeit zusammenfassend darge- stellt.

2 Strukturwandel in der Energiewirtschaft

2.1 Politik der Energiewende

In Deutschland gibt es kaum eine Branche, die einem so fundamentalen Wandel unter- liegt, wie die Energiewirtschaft. Entscheidende Treiber sind sich verändernde politische Rahmenbedingungen geprägt durch die Strommarktliberalisierung sowie umwelt- und klimapolitische Anforderungen.⁶ Mit der Forderung der EU, die Energiemärkte in den Mitgliedsstaaten zu liberalisieren, hatte der Veränderungsprozess der Energiewirtschaft in Deutschland bereits im Jahr 1998 begonnen.⁷ Ein unter ökologischen Gesichtspunk- ten einschneidendes Ereignis war die Nuklearkatastrophe in Fukushima im Jahr 2011. In der Literatur wird der Ausruf zur Energiewende häufig als Reaktion Deutschlands auf dieses Ereignis dargestellt. Die Energiewende hat jedoch schon viel früher – im Jahre 1990 – mit der Förderung der Erneuerbaren Energien begonnen. Die Nuklearkatastro- phe sorgte jedoch dafür, dass eine zuvor beschlossene Laufzeitverlängerung für die Nutzung von Atomkraftwerken seitens der Bundesregierung zurückgenommen wurde und die Absicht entkeimte bis zum Jahr 2022 aus der Atomkraft auszusteigen⁸ sowie erheblich in den Ausbau erneuerbarer Energien zu investieren.⁹ Politische Ziele der Energiewende in Deutschland umfassen vor allem die Aspekte der Senkung der Treib- hausgasemissionen (-80 Prozent bis -95 Prozent gegenüber 1990), den genannten stu- fenweisen Ausstieg aus der Nutzung der Kernenergie bis zum Jahre 2022 und die Si- cherstellung von Wettbewerbsfähigkeit und Versorgungssicherheit.^{10 11}

Bestand für Akteure der Energieversorgungswirtschaft noch bis vor etwa zehn Jahren die Herausforderung primär in der sicheren Energieverteilung, so hat sich inzwischen diese Schwerpunktsetzung substanziell gewandelt. Neben der Versorgungssicherheit spielen die Energieeffizienz sowie die Erneuerbaren Energien (Ökologie) eine entschei- dende Rolle.

2.2 Treiber für den Umbau und Ausbau der Netze

Die einsetzende Energiewende stellt neue Herausforderungen an das Stromnetz. Eine grundlegende Veränderung ist die steigende Anzahl an dezentralen und zugleich volati- len Erzeugungsanlagen, wie z.B. Photovoltaik- (PV) oder Windanlagen. Daraus resul- tiert die zentrale Herausforderung der dynamischen Anpassung des Energieverbrauchs an die Energieerzeugung über erneuerbare Energien.¹² Die größte Herausforderung der Energiewende ist es also, die dezentral erzeugte Energie genau nach dem Bedarf der Verbraucher bereitzustellen oder den Verbrauch an die Erzeugung anzupassen.¹³

Dazu müssen intelligente Konzepte und Technologien entwickelt werden, die alle Ak- teure am Energiemarkt – also Erzeuger, Versorger, Netzbetreiber und Verbraucher – miteinander kommunizieren und kooperieren lassen. Die reibungslose Vernetzung der Systeme und die Kommunikation der Akteure am Energiemarkt sind wesentliche Er- folgsfaktoren für das Gelingen der Energiewende und dem Wandel zu einem neuen Energiesystem.¹⁴ Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Treiber für den Umbau und Ausbau der Netze. Die wesentlichen Treiber werden im weiteren Verlauf erläutert.

Ausbau regenerativer Energien

Kaum war die Energiewende politisch beschlossen, entfachte in der Energiebranche eine ausgedehnte Debatte über die daraus resultierenden Konsequenzen. Es stellte sich heraus, dass vor allem die effiziente Integration der Erneuerbaren Energien in das Ver- sorgungssystem eine große Herausforderung darstellen würde.¹⁵ Um die Erfolge der Energiewende messbar zu machen wurden seitens der Bundesregierung in mehreren Kategorien quantitative Ziele definiert. Bis zum Jahre 2050 sollen mindestens 80 Pro- zent des Bruttostromverbrauchs aus Erneuerbaren Energien gewonnen werden.¹⁶

Es sind vor allem zwei Merkmale, welche die regenerativen Energien im Zusammen- hang mit dem Umdenken im Netz beschreiben: Dezentralität und Volatilität.

Durch die wetterabhängige Erzeugung entstehen neue Systemdynamiken, die beherrscht werden müssen.¹⁷ Die volatile Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien erfordert es, Versorgungsnetz, Erzeugungsanlagen und Verbraucher effizient und intelligent mitei- nander zu verknüpfen. Es besteht die Notwendigkeit einer bedarfs- und verbrauchsori- entierten Verknüpfung von Erzeugung und Nachfrage.¹⁸

Der Ausbau der regenerativen Energien sorgt ebenso für eine Umverteilung der Ener- gieressourcen. Die Funktionsweise der Mittel- und Niederspannungsnetze hat sich fun- damental verändert. In Zeiten zentral organisierter Erzeugungsanlagen floss die elektri- sche Energie ausschließlich von den Kraftwerken, welche sich in der Regel im Besitz von Energieversorgungsunternehmen (EVUs) befinden, über das Verteilnetz zu den Endverbrauchern.¹⁹ Die Einspeisung von Erzeugungsanlagen mit erneuerbaren Energien über mittlerweile Millionen von Wechselrichtern hat dazu geführt, dass der Strom nicht nur in Richtung Hausanschluss fließt, sondern über die Verteilnetze auch ins Übertra- gungsnetz eingespeist werden muss.²⁰

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Der Strommix in Deutschland im Jahr 2017

In Anlehnung an: AGEE-Stat, AGEV, Statistisches Bundesamt (03/2018)

Stilllegung und Rückbau von Kern- und Kohlekraftwerken Das Gegenstück zum Ausbau der Erneuerbaren Energien bildet die Stilllegung bzw. der Rückbau von Kern- und Kohlekraftwerken. Nach Maßgabe des Pariser Klimaabkom- mens ist der Kohleausstieg bis zum Jahr 2030 durchzuführen. Im Abschaltplan der Bundesrepublik Deutschland wird zusätzlich ein stufenweiser Rückbau der am Netz angeschlossenen Kernkraftwerke bis zum Jahr 2023 forciert. Entscheidend dafür ist, dass die Versorgungssicherheit durch Erneuerbare Energien bis dahin gesichert ist. Dies ist ohne eine intelligente Vernetzung der Akteure am Markt nicht realisierbar.²¹

Veränderte Spielregeln durch Liberalisierung

Neben der Integration volatiler und dezentraler Energieträger gehen von der Liberalisie- rung des Strommarktes weitere Impulse zur Veränderung des Stromversorgungssystems aus. Die Grundlage für die Einführung von Wettbewerb in den vormals monopolistisch strukturierten Elektrizitätsmarkt bildet die im Jahre 1998 in Kraft getretene Neufassung des Energiewirtschaftsgesetzes (EnWG). Die Stromversorger verfügten bis zu diesem Zeitpunkt über ein Gebietsmonopol, in dessen Rahmen sie in ihren jeweiligen Versor- gungsgebieten (Städte, Regionen) als alleinige Stromanbieter auftraten.²²

Der ursprüngliche Gedanke lag in der Senkung der Energiepreise. Auch wenn rückbli- ckend das Ziel sinkender Energiepreise nicht in Gänze realisiert wurden, konnten be- merkenswerte Erfolge erzielt werden.²³ Zu den Errungenschaften der Liberalisierung des Energiemarktes zählt vor allem der Aufstieg der erneuerbaren Energien. Durch die Liberalisierung des Energiemarktes wurde die Branche allgemein dynamischer. Die Liberalisierung schuf letztendlich die Rahmenbedingungen für eine durch den Staat eingeleitete, marktgesteuerte Energiewende hin zu erneuerbaren Energieträgern. Dar- über hinaus erlebte die Branche eine Automatisierungswelle im Bereich der Abwick- lungs- und Kundeninformationssysteme sowie der Versorgungsprozesse. Ebenso er- langte die Energieeffizienz mit der Sichtbarmachung der Verbrauchsdaten einen neuen Stellenwert. Die Liberalisierung des Energiemarktes hat somit auch den Grundstein für den intelligenten Messstellenbetrieb gelegt.²⁴

Neue Verbraucher

Es sind jedoch nicht nur ausschließlich politisch geprägte Treiber für den Umbau und Ausbau der Netze. Auch die Endverbraucher stellen neue Anforderungen an die Ener- gienetze. Bei der Diskussion um die Ausgestaltung der Energiewende werden sie zu- nehmend als wichtiger Akteure angesehen.²⁵ Ein Aspekt ist beispielsweise der voran- schreitende Ausbau der Ladeinfrastruktur für Elektromobilität. Ein kollektives Umstel- len von Verbrennungsmotoren auf Elektromotoren würde die Verteilnetzte vor neue Herausforderungen stellen und eine Kommunikation zwischen Verbraucher und Produ- zent unabdingbar machen.²⁶

Es sind jedoch nicht nur die steigenden Investitionen in Elektromobilität, welche die neuen Verbraucher auszeichnet. In der Literatur wird häufig der Begriff Prosumer ver- wendet. Ein Prosumer ist ein energiewirtschaftlicher Akteur, dem sowohl die Rolle des Produzenten als auch des Konsumenten zufällt. Sofern zum Zeitpunkt der Stromproduk- tion ein Eigenbedarf besteht, verbraucht der Prosumer seinen erzeugten Strom selbst. Die überschüssige Energie wird hingegen ins Versorgungsnetz eingespeist. Die Thema- tik, dass Konsumenten künftig auch Produzenten werden, stellt das Versorgungsnetz und die Netzstabilität vor neue Herausforderungen.²⁷ Diese so genannten umrichterdo- minierten Netze bieten jedoch auch Chancen für eine effiziente Automatisierung.²⁸

3. Vision Smart Grid

3.1 Begriffsbestimmung

Das momentan existierende traditionelle Stromversorgungsnetz stößt durch den schwankenden Energiebedarf der Verbraucher und ebenso schwankenden Produktions- mengen – vor allem durch Erneuerbaren Energien - an seine Grenzen. Die in dem vor- herigen Kapitel erläuterten Treiber bedingen eine kommunikative Anbindung der Ak- teure des Energiesystems an das Energieversorgungsnetz.²⁹ Als Lösung dieser Probleme werden so genannte Smart Grids angesehen. Experten sind sich einig, dass den Smart Grids weltweit die Zukunft der Stromversorgung gehört und prognostizieren Investitio- nen in Milliardenhöhe.³⁰

In einem Eckpunktepapier zu den Aspekten des sich verändernden Energieversorgungs- systems definierte die Bundesnetzagentur (BNetzA) das Smart Grid als Aufrüstung des konventionellen Energienetzes durch Kommunikations-, Mess-, Steuer-, Regel- und Automatisierungstechnik sowie IT-Komponenten.³¹ Die Netzinfrastruktur bleibt somit im Wesen unverändert. Im Mittelpunkt steht die Erweiterung um genannte Technolo- gien.³² Ein Smart Grid ist demzufolge ein Strom-Netzwerk, das sämtliche Vorgänge jedes daran angeschlossenen Akteurs in intelligenter Art und Weise einbinden kann, um eine nachhaltige, ökonomische und sichere Stromversorgung auf effiziente Weise zu gewährleisten.³³ „Smart“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass Netzzustände in „Echtzeit“ erfasst werden können und Möglichkeiten zur Steuerung und Regelung der Netze bestehen, so dass die bestehende Netzkapazität tatsächlich voll genutzt werden kann.³⁴

Die primäre Aufgabe des intelligenten Netzes besteht nicht nur darin, einen Ausgleich zwischen Energieangebot und -nachfrage herzustellen und die Netzstabilität aufrecht zu erhalten, sondern viel mehr interessierten Nutzern Informationen bereitstellen und die- jenigen Interaktionen zu ermöglichen, aus denen die notwendigen Innovationen für eine gelungene Energiewende entstehen können.³⁵ Bei intelligenten Stromversorgungsnetz- werken ist der Datenfluss von großer Bedeutung. Grundprinzip ist eine bidirektionale Kommunikation (wechselseitiger Informationsaustausch) zwischen Verbraucher und Erzeuger sowie weiteren Netzkomponenten und Marktteilnehmern.³⁶ Neben der Energie selbst werden in den Leitungen der Smart Grids Daten transportiert, welche den Strom- versorgern exakte Informationen darüber liefern, wo gerade wie viel Strom verbraucht wird. Anderseits sollen die Verbraucher Echtzeitinformationen über den aktuellen Strompreis oder auch die Stromherkunft erhalten.³⁷ Der Strombedarf muss entsprechend nicht geschätzt sondern kann basierend auf aktuellen Daten berechnet werden. Durch genaue Bedarfsprognosen soll so eine gesteigerte Effizienz erreicht werden.³⁸

3.2 Akteure im Smart Grid

Das Smart Grid setzt sich aus mehreren Akteuren und Komponenten zusammen, die verschiedene Aufgaben innerhalb des Netzes wahrnehmen. Diese sind in nachstehender Abbildung dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Akteure im intelligenten Stromnetz

Quelle: Eigene Darstellung

[...]

¹ Vgl. Bieritz, L., Branchenstruktur, 2015, S. 18.

² Vgl. Bartel, K., Entflechtung, 2011, S. 29.

³ Vgl. Breuer, A., Intelligente Energienetze, 2019, S. 3 f.

⁴ Vgl. Roth, I., Digitalisierung Energiewirtschaft, 2018, S. 7.

⁵ Vgl. Felden, C., IoT, 2013, S. 66 f.

⁶ Vgl. Häder, M., Energiepolitik Deutschland, 2010, S. 9.

⁷ Vgl. Bartel, K., Entflechtung, 2011, S. 29.

⁸ Vgl. BMWI, Vierter Monitoringbericht, 2015, S.60.

⁹ Vgl. BMWI, Vierter Monitoringbericht, 2015, S. 96.

¹⁰ Vgl. BMWI, Sechster Monitoringbericht, 2018, S. 8 f.

¹¹ Vgl. Radtke, J. / Kersting, N., Energiewende, 2018, S. 3.

¹² Vgl. Behrens, D /, Gerwig, C., Selbstregulierende Verbraucher, 2014, S. 2.

¹³ Vgl. Wedde, H. et al., Dezentrale Energiebewirtschaftung, 2007, S. 361.

¹⁴ Vgl. Franke, U. / Paladini, N., Intelligente Vernetzung, 2016, S. 120.

¹⁵ Vgl. Aichele C. / Doleski, O., Smart market, 2014, S. 3.

¹⁶ Vgl. BMWI, Sechster Monitoringbericht, 2018, S. 8.

¹⁷ Vgl. Drewnitzky, G., Automatisierung Übertragungsnetz, 2019, S. 1.

¹⁸ Vgl. Behrens, D. / Gerwig, C., Selbstregulierende Verbraucher, 2014, S. 2.

¹⁹ Vgl. Mannesion, H., Sensoren im Smart Grid, 2019, S. 28 f.

²⁰ Vgl. Drewnitzky, G., Automatisierung Übertragungsnetz, 2019, S. 1.

²¹ Vgl. Becker, T. / Löffelsend, T., Atomausstieg, 2018, S. 2.

²² Vgl. Schnabel, F., Technische Perspektive, 2014, S. 7.

²³ Vgl. Wallraff, C. et al., 20 Jahre Strommarkt, S. 3 f.

²⁴ Vgl. Growitsch, C., Strommarktliberalisierung, 2005, S. 383 ff.

²⁵ Vgl. Aretz, A.et al., Prosumer-Potenziale, 2017, S. 13 f.

²⁶ Vgl. Drewnitzky, G., Automatisierung Übertragungsnetz, 2019, S. 1.

²⁷ Vgl. Aretz, A.et al., Prosumer-Potenziale, 2017, S. 13 f.

²⁸ Vgl. Drewnitzky, G., Automatisierung Übertragungsnetz, 2019, S. 1.

²⁹ Vgl. Zwanziger, X., Digitalisierung Messwesen, 2019, S. 59 f.

³⁰ Vgl. Zeilhofer-Ficker, I., Intelligente Stromversorgung, 2010, S. 1.

³¹ Vgl. BNetzA, Eckpunktepapier, 2011, S. 11.

³² Vgl. Roon, S. et al., Netzausbau, 2014, S. 28.

³³ Vgl. Mpholo, M. et al., Innovationssymposium (2018), S. 142.

³⁴ Vgl. BNetzA, Eckpunktepapier, 2011, S. 11.

³⁵ Vgl. Aichele C. / Doleski, O., Smart market, 2014, S. 241.

³⁶ Vgl. Roon, S. et al., Netzausbau, 2014, S. 28.

³⁷ Vgl. Heimrich, M., Smarte Stromzähler, 2009, S. 34 f.

³⁸ Vgl. Heitker, A., Stromnetz 2.0, 2008, S. 8.