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Energie-Intelligenz - das Potenzial einer intelligenten Energiewelt nutzen

Infolge gesellschaftlicher und wirtschaftlicher Entwicklungen wie Urbanisierung und Klimawandel wird Strom einen immer größeren Anteil an unserem allgemeinen Energieverbrauch ausmachen müssen. Dies führt zu einer radikalen Transformation der Energielandschaft, die von drei großen Trends geprägt ist: Dekarbonisierung, Dezentralisierung und Digitalisierung. Doch wie sehen diese Trends aus und wie funktionieren sie?

Aschendorff Medien

Foto: Stock.adobe.com © urbans78

Dekarbonisierung

Das Engagement für eine grüne Zukunft war noch nie so stark wie heute. Politische Agenden, neue Vorschriften, Industrieinitiativen und ein breiter gesellschaftlicher Konsens unterstützen die deutliche Reduzierung der CO2-Emissionen. All dies wird eingebettet in ein wichtiges zusammenhängendes Konzept Namens Öko-Innovation: Die Summe aller Innovationen und Erfindungen, deren Endziel eine größere Nachhaltigkeit ist.

Strom spielt in diesem Reigen die mit Abstand bedeutsamste Rolle. Dies kann durch die weitere Elektrifizierung aller wichtigen energieverbrauchenden Sektoren – Transport, Gebäude und gewerbliche sowie industrielle Anlagen – erreicht werden. Aber es muss sichergestellt werden, dass dieser Strom durch erneuerbare Energien wie Wind oder Sonne erzeugt wird und dass Energieeffizienzpotenziale in vollem Umfang genutzt werden. Mehrere Beispiele zeigen, dass diese Entwicklung bereits im Gange ist:

•       Die Europäische Kommission hat das Ziel gesetzt, bis 2050 eine Netto-Null-Emission zu erreichen. Von heute 30 % sollen erneuerbare Energien in Zukunft über 80 % des Energiebedarfs der EU decken.

•       In den USA haben sich bereits 11 Bundesstaaten und über 200 Städte zu 100 % erneuerbaren Energien verpflichtet, und große Energieversorger haben zugesagt, ihre Kohlenstoffemissionen bis 2050 um 80 % zu reduzieren.

•       Große Unternehmen wie Walmart, Apple und Microsoft haben mehr als 19,5 GW an sauberer Energie vertraglich vereinbart, um ihre Ziele für 100 % erneuerbare Energien zu erreichen.

Die Dekarbonisierung, also der Pfad, der die Welt von fossilen Energieträgern wegführt, wird durch den wachsenden Anteil erneuerbarer Energien am Energiemix, Fortschritte bei den Speichertechnologien und veränderte Nachfragemuster vorangetrieben. Die Verbindung von erneuerbarer Erzeugung und Lasten wie power2heat, E-Mobilität oder Gebäuden, die allein für 40 % des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich sind, wird die traditionellen Last- und Erzeugungsprofile verändern oder könnte die aktuelle Infrastruktur überlasten. Der daraus resultierende Spannungs- und Frequenzausgleich sowie das Engpassmanagement erfordern neue Investitionen in das Netz, aber auch neue Ideen und Prinzipien in Bezug auf die Systemplanung und den Betrieb.

Dies macht den Netzbetrieb zwar komplexer, bietet aber auch attraktive Geschäftsmöglichkeiten wie die Bereitstellung von Energiemanagement-Dienstleistungen, intelligenter Hardware für Verbraucher (z. B. intelligente Thermostate, intelligente HLK, private Speicher) oder neue Flexibilitätslösungen für das Netz. Private und gewerbliche Verbraucher können aktiv zum Klimaschutz beitragen und von einem geringeren Energieverbrauch oder der aktiven Teilnahme an Energiemärkten profitieren.

Foto: Stock.adobe.com © Arnd Drifte

Dezentralisierung

Eine inhärente Auswirkung der Dekarbonisierung ist die dramatische Transformation des Energiesystems in ein heterogenes, zusammenhängendes Netzwerk aus großen sowie kleinen Erzeugungsanlagen, Speichern und anderen flexiblen Lasten (z. B. Elektrofahrzeuge, intelligente Gebäude). Angetrieben durch mehr Daten, bidirektionale Kommunikation und smarte Geräte rückt der Fokus der Aufmerksamkeit weiter an den Rand des Netzes, wo intelligente Prosumer eine immer wichtigere Rolle spielen.

Die wirtschaftlichen Vorteile (z. B. einfache Finanzierung und schnellere „Time-to-Grid“ kleiner, dezentraler Anlagen) und die positiven Auswirkungen auf die Umwelt sowie ein höherer Grad an Unabhängigkeit vom Netz stärken die robuste Position der dezentralen Energieressourcen (DERs). Es wird geschätzt, dass die überwiegende Mehrheit aller dezentralen Energieressourcen auf Verteilnetzebene angeschlossen ist und höchstwahrscheinlich auch weiterhin sein wird, und zwar in Form von vielen kleinen Anlagen aus Gewerbe und Industrie und privaten Haushalten.

Allein in Deutschland stehen den rund 245 fossilen Kraftwerken (mit jeweils über 50 Megawatt) über 29.700 Windkraftanlagen und 1,7 Millionen PV-Anlagen gegenüber. Dies ermöglicht neue Marktrollen und Geschäftsmodelle. Dienstleister können diese DERs bündeln und verwalten, um eine sichere, günstige und zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten.

Die Kombination von Erzeugung, Speicherung und Lasten in einem Microgrid kann Entwicklungsländern helfen, zentralisierte Energiesysteme zu überholen und ländliche Gebiete mit lokaler Wertschöpfung effizient und nachhaltig zu elektrifizieren. In einem nächsten Schritt kann die Verfügbarkeit von DERs zu Peer-to-Peer-Trading-Lösungen führen. Die Elektrifizierung unserer Gesellschaft und der Anstieg von DERs schaffen direkt die dringende Notwendigkeit, Nachfrage und Produktion aktiver als je zuvor auszugleichen.

Große, fossile und wasserkraftbasierte Pumpspeicherkraftwerke werden sich auf die Bereitstellung von Reserveleistung und die Stabilisierung des Netzes konzentrieren. Eine enge Zusammenarbeit und ein nahtloser Informationsaustausch zwischen Übertragungs- und Verteilernetzbetreibern werden eine Schlüsselrolle bei der erfolgreichen Steuerung des Netzes spielen. Eine moderne digitalisierte Infrastruktur und intelligente Softwarelösungen sind Eckpfeiler für ein zukunftssicheres, dezentralisiertes und dekarbonisiertes Stromnetz.

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Digitalisierung

Der Aufstieg der intelligenten Geräte und die Nutzung der Milliarden von Datenpunkten hat bereits viele Branchen durcheinandergebracht und die Energiewelt wird davon nicht ausgenommen sein. Dies schon deshalb, weil sich die Datenmenge von einer Million intelligenter Zähler, die alle 15 Minuten Daten sammeln, auf über 2.900 Terabyte pro Jahr summiert – zum Vergleich: Diese Datenmenge entspricht fast 610 Millionen mp3-Musikstücken á 5 Megabyte.

Ein vernetztes System intelligenter Energieinfrastruktur (z. B. Erzeugungseinheiten, Speicher, Gebäude, Elektrofahrzeuge, automatisierte Verteilungsanlagen) wird oft als "Internet der Energie (IoE)" bezeichnet – analog zum bekannteren Internet der Dinge (IoT). Das Ziel von IoE ist es, die Informationen von einzelnen Geräten am Rande des Netzes netzweit zu sammeln, zu organisieren und allen relevanten Teilnehmern zur Verfügung zu stellen. Auf Netzebene können eine digitale Darstellung der physischen Infrastruktur, erweiterte Datenanalysen und Prognosen (z. B. Wetter, Verkehr, Verbrauchsmuster) genutzt werden, um die Infrastruktur effizienter zu planen und zu nutzen, Netzinvestitionen aufzuschieben, Einschränkungen zu verwalten, Fehler zu erkennen, Ausfallzeiten zu minimieren und die Flexibilität zu erhöhen.

Zusammen mit Betriebsdaten aus der Unterstation können Zustandsüberwachung und vorausschauende Wartung die Lebensdauer der Geräte verlängern und die Wartungskosten senken. Vernetzte, steuerbare Aktoren ermöglichen es, Angebot und Nachfrage autonom zu koordinieren und die vorhandenen Ressourcen perfekt zu nutzen. Die Kombination aus Daten und Automatisierung ermöglicht sogar neue Geschäftsmodelle (z. B. Energy-as-a-Service) und Einnahmequellen.

Doch mit immer mehr vernetzten Geräten werden die Energiesysteme anfällig für Cyber-Attacken. Die Gewährleistung höchster Sicherheitsstandards in Bezug auf Systeme und Kundendaten ist eine große Herausforderung, die die Zusammenarbeit aller beteiligten Parteien von Regulierungsbehörden über Netzbetreiber bis hin zu Prosumern und Geräteherstellern erfordert.

Foto: Stock.adobe.com © anatoliy_gleb

Grid Edge - die Hauptstufe der Transformation

Die Auswirkungen dieser Trends manifestieren sich anschaulich am „Grid Edge“, da wir uns von einem zentralisierten Energiesystem zu einem dezentraleren, dekarbonisierten, intelligenteren, lokaleren und effizienteren System bewegen. Grid Edge bedeutet in diesem Zusammenhang die vielen verbundenen Technologien, die an der Schnittstelle zwischen der Energieversorgungsseite (Netz) und der Energienachfrageseite (Industrie, Gebäude und Verbraucher) existieren.

Zu diesen Technologien gehören solche für den lokalen Verbrauch und die Erzeugung sowie für die Speicherung von Energie. Eine aktuelle Studie des Weltwirtschaftsforums beziffert die Größenordnung des Grid Edge in einer einzigen, beeindruckenden Zahl: 2,4 Billionen US $. Dies ist der wirtschaftliche Wert, der durch Investitionen, neue Arbeitsplätze und neue Einnahmen durch die Einführung von Grid-Edge-Technologien in den OECD-Ländern in den nächsten zehn Jahren geschaffen wird.

Ein Paradebeispiel hierfür ist ein Microgrid über eine ganze Gemeinde oder Einrichtung (z. B. das sogenannte Energiedorf Wildpoldsried). Es zeichnet sich durch eine hohe Durchdringung von DERs wie Solar, Energiespeicher, Demand Response und Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge aus. Es sorgt für eine sichere Stromversorgung kritischer Infrastrukturen, trägt zur Senkung der Gesamtenergiekosten bei, minimiert Investitionen in neue Verteilungsinfrastrukturen und bietet wertvolle Dienste für das Gesamtnetz (z. B. Spitzenlastabschaltung, Spannungs- und Frequenzausgleich und Demand Response).

Da die Grenzen zwischen Verbrauchern, Erzeugern und Verteilern zunehmend verschwimmen, wird sich das Stromnetz zu einer Plattform entwickeln, die es dezentralen Quellen aller Art ermöglicht, es zu ihrem Vorteil zu nutzen. Ein Bewusstseinswandel hin zu verbraucherzentrierten Strategien, Kooperation auf allen Ebenen, neuen Geschäftsmodellen und der Schaffung intelligenter Managementsysteme für die vielfältigen Anlagen am Grid Edge wird allen Akteuren helfen, potenzielle neue Einnahmequellen zu erschließen.

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