Was ist ein Smart-Grid und was bedeutet er für die Elektromobilität?

Ein Smart-Grid ist ein Netzwerk von Stromerzeugern und -verbrauchern, das digital im Detail gesteuert wird. Das Ziel ist größere Effizienz und die Möglichkeit, Strom aus unregelmäßig verfügbaren Quellen verwerten zu können. Für die Elektromobilität spielt ein Smart-Grid eine Rolle, weil Sie über ein solches Netzwerk die Batterien in Ihrem Elektroauto günstiger aufladen können und damit sogar noch einen Beitrag zur Stabilität des Netzes leisten.

Was ist ein Power Grid?

Der Begriff Power Grid bezeichnet einfach das traditionelle Stromnetz. Der wesentliche Punkt ist, dass der erzeugte und verbrauchte Strom zu jedem Zeitpunkt im Gleichgewicht sein müssen. Das Netz selbst kann keinen elektrischen Strom speichern.

Die Stabilität des Netzes hängt also sowohl von der Erzeugung als auch vom Verbrauch von elektrischer Energie ab. Klar ist, dass elektrische Geräte nur funktionieren können, wenn der dafür erforderliche Strom irgendwo erzeugt und über ein Netz zum Verbraucher transportiert wird. Viele machen sich aber nicht klar, dass auch ein Kraftwerk von Verbrauchern abhängig ist. Es kann nur Strom erzeugen, wenn dieser auch verbraucht wird. Fallen diese Verbraucher plötzlich weg, muss das Kraftwerk sofort zurückgefahren oder ganz abgeschaltet werden. Es wäre sonst etwa wie ein Automotor, der mit durchgetretenem Gaspedal durch die Kupplung vom Getriebe getrennt wird.
Traditionell werden für ein Stromnetz grundlastfähige Kraftwerke und schnell zuschaltbare Kraftwerke benötigt. Die Grundlastkraftwerke werden mit fossilen oder Kernbrennstoffen betrieben und liefern eine konstante Leistung über lange Zeit. Auch Flusskraftwerke sind für diese Zwecke geeignet.

Zur Abdeckung von Spitzenlasten verfügt ein Stromnetz über Gas- und Pumpspeicherkraftwerke. Gasturbinen verbrauchen auch fossile Brennstoffe, können aber schnell zu- und abgeschaltet werden. Das Geschäftsmodell der Pumpspeicherkraftwerke besteht darin, mit billigem Nachtstrom Wasser in einen höher gelegenen Stausee zu pumpen. Wenn am späten Vormittag und am frühen Abend am meisten Strom benötigt wird, treibt dieses Wasser die Turbinen an und deren Generatoren erzeugen teureren Spitzenstrom.

Was ist ein Smart Grid?

Traditionell wird die Stabilität des Stromnetzes durch Anpassung der Stromerzeugung an die Nachfrage gesichert. Das wird derzeit immer schwieriger. Der Grund liegt in der immer umfangreicheren Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen wie Sonne und Wind. Das bedeutet immer größere Schwankungen auf der Erzeugerseite des Stromnetzes.

Eine zusätzliche Komplikation ergibt sich daraus, dass mittlerweile nicht nur größere Kraftwerke, sondern auch kleine Einspeiser im Niederspannungsnetz Strom zur Verfügung stellen können. Diese Faktoren erfordern eine wesentlich aufwendigere Steuerung des Verbrauchs von elektrischem Strom. Diese Steuerung hat das Ziel der größtmöglichen Effizienz der Ausnützung der bestehenden Leitungen.

Dann müssen nämlich nur weniger solche Leitungen bereitgehalten werden, weil die von diesen zu bewältigenden Lastspitzen dann niedriger sind. Das Hochspannungsnetz wird bereits seit längerem intelligent und damit also „smart“ gesteuert. Was heute dazukommen soll, ist die smarte Steuerung im Niederspannungsbereich.

Wie funktioniert der Smart Grid?

Wesentlich für den Smart Grid sind sogenannte Smart Meters, die in immer mehr Haushalten verbaut werden. Diese haben mehrere Funktionen. Eine davon ist die genaue Messung des jeweiligen Stromverbrauchs und die Übertragung dieser Daten an eine Leitstelle. Dazu kommt noch die Möglichkeit, den Stromverbrauch nach Bezugszeit abzurechnen. Eine Grundidee des Smart Grid ist schließlich, Strom dann verstärkt zu verbrauchen, wenn er in größerem Umfang verfügbar und daher billiger ist.

Der Strompreis wird also nach dem Verhältnis von Angebot und Nachfrage angepasst. Er kann sogar negativ werden, wenn gerade zu viel Strom erzeugt wird. Der Abnehmer erhält dann Geld, wenn er Strom verbraucht, denn dieser Verbrauch ist für die Netzstabilität notwendig.

Der Smart Meter selbst oder die Steuerung von Geräten über das Internet of Things oder IoT regelt den nicht zeitkritischen Verbrauch von Strom so, dass jeweils der günstigste Tarif ausgenützt werden kann.
Manche Arten von Verbrauch sind zeitkritisch wie das Betreiben eines Herds, einer Beleuchtung oder eines Geräts in der Unterhaltungselektronik. Für diese kommt eine sogenannte Lastverschiebung nicht in Frage.

Es sind aber gerade die größeren Verbraucher in einem Haushalt, für die eine solche Lastverschiebung durchaus möglich ist. Dazu gehören Wasch- und Geschirrspülmaschinen, Heizelemente für Luft oder Warmwasser und Kühlaggregate. Nicht zuletzt gehört auch das Laden der Batterie in Ihrem Elektroauto dazu.

Bisher wurde diese Idee in elementarer Form in Nachtspeicheröfen umgesetzt. Diese haben den Vorteil, mit billigem Nachtstrom zu heizen. Der Smart Grid stellt den Anspruch, diese Methode in viel größerem Umfang zu implementieren.

In der Industrie sind es energieintensive Anwendungen wie das Ausschmelzen von Metallen oder das Betreiben von nur teilausgelasteten Rechenzentren, in denen sich eine Lastverschiebung mittels des Smart Grid lohnt. Das Potential für Lastverschiebungen teilt sich je zur Hälfte auf Haushalte und die Industrie auf.

Was für eine Rolle spielt der Smart Grid für die Elektromobilität?

Eine Anwendung ist die bereits erwähnte Aufladung der Batterie im Elektroauto genau dann, wenn der Strom dafür am günstigsten ist. Damit schonen Sie nicht nur Ihre Brieftasche, sie leisten auch einen Beitrag zur Netzstabilität. Der Preis des Stroms wird schließlich nicht willkürlich reduziert, sondern ist ein Signal dafür, dass er im Übermaß verfügbar und sein Verbrauch deshalb für das Netz nützlich ist.

Die Elektromobilität besitzt aber auch eine sekundäre Anwendung auf den Smart Grid. Wenn die Batterie in Ihrem Elektroauto für dessen Betrieb nicht mehr genug Ladekapazität besitzt, kann sie immer noch stationär betrieben werden. Sie bildet dann beispielsweise mit einer Photovoltaikanlage auf Ihrem Dach ein System für die Stromversorgung Ihres Haushalts. Sie laden die stationäre Batterie vorzugsweise mit Sonnenenergie, die ganz umsonst verfügbar ist. Scheint die Sonne zu wenig, greifen Sie mit einer smarten Steuerung auf das Stromnetz zu den günstigsten Zeiten zurück. Gesteuert wird das aber alles automatisch.

Vorteile des Smart-Grid

• Der Hauptvorteil besteht darin, dass Strom aus erneuerbaren Quellen effizient und in größerem Ausmaß zur Verfügung steht. Damit verringert sich unsere Abhängigkeit von Lieferanten von fossilen Brennstoffen und die damit verbundene Schadstoffbelastung der Luft.
• Die Belastung des Stromnetzes wird mit einem Smart-Grid besser verteilt. Die Leitungen müssen für die Spitzenbelastung ausgelegt werden. Ein Smart-Grid ermöglicht es uns also, mit weniger Leitungskapazität auszukommen.
• Für Sie als Verbraucher steht der Vorteil im Vordergrund, billigen Strom für energieintensive Anwendungen wie für die Elektromobilität zur Verfügung zu haben.

Nachteile des Smart-Grid

• Standardisierung. Diese ist noch nicht weit fortgeschritten und das bedeutet, dass das Zusammenwirken von Geräten verschiedener Hersteller problematisch sein kann. Die mangelnde Standardisierung ist auch bei der Bewältigung der zwei im Folgenden erwähnten Probleme ein Thema.
• Datenschutz. Die Informationen über den Stromverbrauch in Ihrem Haushalt sind sehr wertvoll. Vieles lässt sich aus ihnen erschließen, mindestens zum Beispiel, wann niemand zu Hause ist. Es liegt auf der Hand, dass diese Informationen nicht in die falschen Hände geraten dürfen.
• Angriffsfläche für die Stromversorgung. Sowohl Smart Meters als auch die Steuerungsgeräte im Internet of Things sind oft nur schlecht gegen Angriffe aus dem Internet geschützt. Daraus ergibt sich ein mögliches verstörendes Szenario. Angreifer übernehmen online die Kontrolle über eine große Zahl von Geräten wie beispielsweise Kühlschränke. Sie schalten die Kühlaggregate über eine längere Zeit nach und nach ein, worauf die Leitstelle des Stromnetzes mit Zuschalten von Kraftwerkskapazität reagiert. Dann schalten die Angreifer alle Geräte schlagartig ab. Der so entstehende Einbruch im Verbrauch von Strom kann so groß sein, dass eine Notabschaltung von Kraftwerken ausgelöst wird. Das ist auch notwendig, denn ohne diese bestände die akute Gefahr einer Zerstörung von Turbinen und Generatoren. Die Folge solcher Abschaltungen wäre ein großflächiger Stromausfall und damit ein Blackout.

Fazit

Unser Stromnetz wird zu einem Smart-Grid ausgebaut, in dem kleine Einspeiser und Verbraucher mit einer eigenen Steuerung ausgestattet werden. Die Nutzung von erneuerbaren Stromquellen wird auf diese Weise einfacher und effizienter, auch für die Elektromobilität. Die bestehenden Sicherheitsprobleme sollten auch Sie als Nutzer im Auge behalten.