Feliks Vainik
05.07.2018

Das Schalten im Smart Grid – Gegenwart und Zukunft

eMessage Smart Grid

Früher wurde Strom fast ausschließlich durch Großkraftwerke geliefert. Die großen Gas-, Kohle- und Atomkraftwerke lieferten kontinuierlichen Strom an alle Versorger und von dort an die Verbraucher. Diese Unidirektionalität und Kontinuität sorgte dafür, dass die Netzstabilität relativ problemlos aufrechterhalten werden konnte.

Definition Smart Grid

Ein intelligentes Stromnetz (Smart Grid) verbindet zentrale und vor allen Dingen dezentrale Erzeugung, Speicherung und Verbrauch. Eine Steuerung stimmt sie optimal aufeinander ab und gleicht somit Leistungsschwankungen – insbesondere durch fluktuierende erneuerbare Energien – im Netz aus. Die Vernetzung erfolgt dabei durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) sowie dezentral organisierter Energiemanagementsysteme zur Koordination der einzelnen Komponenten. Lesen Sie hierzu die Definition im CritComms-Beitrag “Kritische Infrastrukturen und Anforderungen an Telekommunikation”.

Das Smart Grid ist eine intelligente Vernetzung von Stromerzeugern, Netzbetreibern sowie Stromspeichern und -verbrauchern, um unter anderem Leistungsgefälle auszugleichen und somit die Versorgungssicherheit zu gewährleisten.

 

Eine Struktur im Wandel

Auch durch staatliche Initiativen, die die Versorgungssicherheit zukunftsträchtig und gleichzeitig umweltfreundlich gestalten sollen, befindet sich diese Struktur im kontinuierlichen Wandel. Die Quellen, aus denen Energie gewonnen wird, wandeln sich, erneuerbare Energiequellen spielen eine immer größer werdende Rolle. Neben großen alteingesessenen Stromerzeugern gibt es viele kleinere dezentrale Mini-Kraftwerke wie z. B. Biogas-, Photovoltaik-, Wind- und Wasserkraftanlagen. Viele Verbraucher können sich dank neuer Technologien ebenfalls zu Erzeugern wandeln (Prosumer). Während bislang die Stromnetze zum Großteil zentral gesteuert werden, geht die Entwicklung nun in Richtung dezentrale Erzeugung und Steuerung.

Durch solche Dezentralität wird aber auch die benötigte Infrastruktur komplexer. Um die Netzstabilität aufrecht zu erhalten, müssen die Lasten richtig verteilt und die entsprechende Spannung und Frequenz im Verteilernetz gehalten werden. Dazu muss das Stromnetz intelligenter werden, das „Smart Grid“. Während Großkraftwerke Strom kontinuierlich und planbar liefern können, kann der Energie aus Sonnen- und Windkraft nicht immer im Voraus kalkulierbar erzeugt werden. Wind, Wetter, Tag und Nacht beeinflussen die Verfügbarkeit. Das Smart Grid soll diese Unwägbarkeiten ausgleichen: Überschüssige Energie wird gespeichert - und bei Bedarf wieder eingespeist. Stromerzeuger werden bei Bedarf ein- und ausgekoppelt. Alles muss in Echtzeit passieren und mit der Möglichkeit, bei Bedarf Tausende und wenn nötig Millionen von Geräten, Erzeugern und Anlagen zu schalten und zu steuern.

Zielsetzungen bei der Entwicklung von Smart-Grid-Lösungen

Aktuellen und zukünftigen Herausforderungen, wie beispielsweise der schwankenden Stromerzeugung durch erneuerbare Energieträger, der zunehmenden dezentralen Stromerzeugung und -speicherung sowie der verstärkten Nachfrage nach Energiedienstleistungen auf Basis elektrischen Stroms, soll mittels der Entwicklung und des Einsatzes von Smart Grids begegnet werden.

Die Entwicklung von Smart Grids umfasst - den internationalen Diskussionen folgend - auch Fragen des überregionalen Zusammenspiels und der Rückwirkungen von neuen Entwicklungen im Verteilernetz auf die Transport-Ebene. Daher müssen die richtigen Zielsetzungen beim Entscheidungsprozess bezüglich des Aufbaus eines Smart Grids eine entscheidende Rolle spielen:

  • Weiterentwicklung der Elektrizitätsinfrastruktur als Basis für die Erreichung von mehr Nachhaltigkeit von Wirtschaft und Gesellschaft
  • Bestmögliche Integration erneuerbarer Energieträger und dezentraler Erzeugung
  • Steigerung der Effizienz im Energiesystem und Optimierung der Infrastruktur
  • Flexibilisierung der Nachfrage
  • Ermöglichung neuer Technologien - Smart Services, Elektromobilität
  • Unterstützung der Entwicklung von Energieregionen der Zukunft, die einen hohen Anteil an Eigenversorgung anstreben

Kommunikationstechnologie und Messeinrichtungen – die Basis einer erfolgreichen Smart Grid Umsetzung

Damit ein Smart Grid entstehen kann, müssen moderne IT, Kommunikationsnetze und intelligente Messeinrichtungen integriert werden. Auf Verbraucherseite sind intelligente Stromzähler installiert, die den aktuellen Stromverbrauch messen und an übergeordnete Steuereinheiten oder Verbraucher weitergeben. Ergänzt werden die Smart Meter mit intelligenten Verbrauchern, die sich dann einschalten, wenn ein Energieüberangebot im Netz vorhanden ist. Geräte wie Kühlanlagen, Heizungen, Wärmespeicher oder Waschmaschinen arbeiten zu den Zeiten, in denen das Smart Grid genug Energie liefern kann, und helfen damit das Angebot und die Nachfrage an Energie auszugleichen.Die lokale Intelligenz ist zudem in der Lage, eigene Energiequellen wie die Photovoltaikanlage oder Energiespeicher, wie den Akku des elektrischen Fahrzeugs, in die aktuelle Verbrauchssituation im Haushalt einzubeziehen.

Für das Smart Grid kommen unterschiedliche Kommunikationsnetze und Übertragungstechniken zum Einsatz, die intelligent miteinander kombiniert werden. Dies reicht von lokalen Netzwerken bei den Energieerzeugern über Wide Area Networks per Glasfaser zwischen verschiedenen Knotenpunkten des Smart Grids bis hin zur Datenkommunikation per Powerline und drahtlose Übertragungstechniken wie der e*Nergy Dienst, Mobilfunk, WLAN oder ZigBee im Verbraucherumfeld.

Effizientes Steuern und Schalten im Smart Grid – Die richtige Kommunikationstechnologie macht den Unterschied

Intelligente Netze (Smart Grids) sollen das schwankende Stromangebot aus erneuerbaren Energien und den Strombedarf in Balance bringen. Die bisherige verbrauchsorientierte Stromerzeugung soll durch einen erzeugungsoptimierten Verbrauch kompensiert werden. Die entsprechende Steuerbox - eingebunden in das Smart Grid - ermöglicht hierzu, Kundenanlagen, d. h. Erzeugungsanlagen und Stromverbraucher (Lasten) individuell oder in Gruppen anzusteuern. Damit kommt der Steuerbox-Funktion eine Schlüsselrolle zu. Sie ist die Grundlage dafür, dass Systeme zusammenwachsen, Systeme aus den Bereichen Smart Metering und Smart Grid sowie Gemeinschaften von Produzenten, Verbrauchern, Prosumern und Dienstleistern, die mit Energiemengen oder daraus abgeleitete Dienstleistungen auf Grundlage der zur Verfügung stehenden Netzkapazität handeln (Smart Market). Typische Erzeugungsanlagen sind Photovoltaikanlagen oder Blockheizkraft-werke, typische Lasten sind Nachtspeicherheizungen, Wärmepumpen oder Elektroautos. e*Message hat hier mit dem Strompager und dem e*Nergy Dienst eine schon heute im Einsatz befindliche Lösung, die sich nahtlos in das intelligente Messsystem einfügt. Die sichere Steuerung von kleinen und großen Gruppen und auch eine direkte Kopplung an die Smart Meter zur Rückmeldung sind möglich.

Ernst&Young (EY) hat eine entsprechende Studie zur Bewertung von Steuerungslösungen im deutschen Stromnetz erstellt. Hier gelangen Sie zur kostenlosen EY Studie!

Erzeugungsmanagement:

Netzbetreiber können unter bestimmten Voraussetzungen die Einspeisung durch dezentrale Anlagen, wie zum Beispiel Photovoltaik oder Windkraft, abregeln. Es handelt sich hierbei um Millionen von Kleinanlagen in der Niederspannung, welche die autorisierten Schalt- und Steuerbefehle der Marktteilnehmer (wie z. B. Netzbetreiber) empfangen sollen. Um die entsprechende Balance und somit die Netzstabilität aufrecht zu erhalten, muss die richtige Kommunikationstechnologie zum Einsatz kommen, die es den Netzbetreibern ermöglicht, sogar Millionen von Empfängern in Echtzeit zu schalten.

Lastmanagement:

Auch das Zu- und Abschalten von Verbrauchern (z. B. Nachtspeicherheizungen, Elektroautos) in der Kundenanlage wird über Schalt- und Steuersignale (z. B. vom Netzbetreiber oder von Energielieferanten) geregelt, zwecks Realisierung eines netzdienlichen Lastmanagements. So wie beim Erzeugungsmanagement, müssen hier teilweise Tausende von Anlagen in Echtzeit geschaltet werden.

Cyberkriminalität und Smart Grid

Viele Einrichtungen der Stromversorgung werden über das Internet gesteuert und sind somit leicht angreifbar. Mit dem Trend zum Smart Grid mit Smart Metering erhöht sich die Anfälligkeit der IT-Systeme zusätzlich.

Wie bereits erwähnt, besteht das Smart Grid nicht mehr nur aus einfachen Versorgungsnetzen, sondern die Marktteilnehmer müssen gemäß dem Marktmechanismus miteinander kommunizieren. Das kann nur gelingen, wenn Stromerzeuger, -verbraucher und -speicher, sowie die für die Übertragung und Verteilung notwendige Infrastruktur, intelligent über viele Schnittstellen miteinander vernetzt werden. Jeder dieser Verknüpfungspunkte bietet jedoch Kriminellen ein Einfallstor. Wenn der Umbau zum intelligenten Netz gelingen soll, müssen diese Angriffspunkte für Cyberkriminelle entfernt werden. Entsprechende Sicherheitsvorgaben sind seitens des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) vorgegeben und für alle Hersteller verbindlich.

Ein weiteres Problem ist ein technologisches Erbe aus den achtziger Jahren:

Seit Jahrzehnten setzt die Strom- und Netzwirtschaft sogenannte ICS/Scada-Systeme (Industrial Control Systems/Security Control and Data Acquisition) zur Steuerung von Anlagen und Prozessen ein. Diese Systeme haben meistens jedoch keine Schutzmechanismen gegen unbefugten Zugriff oder Manipulation, da sie nicht für eine Erreichbarkeit über das Internet konzipiert wurden. Daher wird kein echter Schutz vor Hackern geboten oder es muss mühselig nachgerüstet werden.

Bei vielen Versorgungsunternehmen werden deshalb Schwarzfall-Szenarien analysiert und entsprechende Vorkehrungen für den Ernstfall ergriffen, wie z. B. der Einsatz einer alternativen Kommunikationsinfrastruktur für die Einsatzkräfte im Schwarzfall. Viele Unternehmen der Energiebranche setzen hier auf Paging, wie es von e*Message als redundante Kommunikation angeboten wird (lesen sie hierzu den Beitrag Multichannel-Alarmierung)

Des Weiteren enthält auch der Beitrag “Energieversorgung, Kommunikation und Logistik in kritischen Lagen” dazu Aussagen aus der Sicht der wohl erfolgreichsten und umfassendsten Organisation für technische Hilfe in besonders kritischen Situationen. Präsident Albrecht Broemme von der Bundesanstalt Technisches Hilfswerk (THW) berichtet im Paging-Kongress digital: CritComms 2018 zu Fragen der technischen Kommunikation in Ausnahmefällen.

Der e*Nergy-Strompager – sichere Steuer-Komponente für das Smart Grid

Was für die Einsatzkräfte der Verteilnetzbetreiber (VNB) gilt, muss auch für die digitale Kommunikation im Smart Grid gelten. Die bereits angesprochenen Herausforderungen bezüglich Cyberkriminalität setzen viele VNBs unter Zugzwang.

  • 4 TE Hutschienenmodul mit 4 Relais und Ansteuerung der EEG Anlagen. (Erneuerbare Energie Gesetz)

Im Ernstfall ist die Kommunikation zu den Steuer-Empfangsgeräten unbedingt sicherstellen, um ein störungsfreies Schalten und Steuern zu gewährleisten. Dies ist unabdingbar, um Leistungsschwankungen – insbesondere durch die fluktuierenden erneuerbaren Energien, auszugleichen.

Das Webinar “Strompager” enthält dazu Aussagen aus der Sicht der Stromnetz Berlin GmbH, einer der größten VNBs in Deutschland, sowie den mitwirkenden Technologiepartnerunternehmen.

Gegenwart und Zukunft für das „Gruppenschalten“ im zukünftigen Smart Grid

In diesem CritComms-Beitrag werden interessante Aspekte des "Gruppenschalten" im Smart Grid beleuchtet. Erfahren Sie, wie und warum die Lösung e*Nergy hier eine besondere Rolle spielt.
Zum Vortrag
Smart Grid Vainik

Fragen und Anregungen

An das Organisationsteam (Frau Lisa Süße, E-Mail: l.suesse@emessage.de, Tel.: 030 / 4171-1511).
Natürlich gibt es den Themenkatalog bereits in ausführlicher Form. Hier ist er zu finden:

Digitaler Paging-Kongress: CritComms 2018

Programmbeirat 
CritComms 2018 Paging-Kongress