Intelligente Stromnetze: Von der Einbahnlieferung zum Netz, das sich selbst misst
Das Stromnetz heißt oft die größte je gebaute Maschine, und über den größten Teil seiner Geschichte war es zugleich eine der am wenigsten beobachtbaren. Die Betreiber wussten, was aus den Kraftwerken floss, und sehr wenig darüber, was danach geschah. Der Wandel, der nun läuft, betrifft weniger anderes Erzeugen als die Fähigkeit zu sehen.
Was das alte Netz voraussetzte
Ein Netz des 20. Jahrhunderts ruhte auf wenigen Annahmen, die damals alle vernünftig waren. Strom entsteht in wenigen großen Kraftwerken und fließt über Übertragung und dann Verteilung nach außen zu Verbrauchern, die nur verbrauchen. Die Leistung lässt sich auf Anweisung anpassen, um dem Bedarf zu folgen. Und dieser Bedarf ist vorhersehbar genug, um einen Tag im Voraus aus Wetter und Kalender geschätzt zu werden.
Alles im System folgte daraus. Schutzeinrichtungen auf Verteilleitungen setzten einen Stromfluss in eine Richtung voraus und lösten entsprechend aus. Die Spannungsregelung setzte voraus, dass die Spannung mit der Entfernung von der Umspannstation sinkt. Die Planung setzte voraus, dass die Höchstlast die nötige Kapazität bestimmt.
Unterhalb der Umspannstation gab es im Grunde keine Messung. Ein Versorger erfuhr von einer Störung in einer Wohnstraße, wenn jemand anrief. Zähler wurden monatlich oder vierteljährlich von einem Menschen abgelesen, der die Einfahrt hochging. Für ein System aus planbarem Einbahnfluss reichte das.
Drei Entwicklungen brachen die Annahmen auf einmal: Erzeugung, die sich nicht abrufen lässt, Erzeugung am Ort des Verbrauchs, und ein Bedarf mit neuen großen flexiblen Lasten wie Elektrofahrzeugen und Wärmepumpen.
Wenn der Fluss sich umkehrt
Eine Straße, in der viele Häuser Solaranlagen auf dem Dach haben, kann mittags mehr Leistung abgeben, als sie verbraucht, und schiebt Strom die Verteilleitung hinauf zur Umspannstation zurück. Die Leitung trägt das physikalisch, aber die Schutzrelais waren für den Fluss in die andere Richtung eingestellt, und die Spannung steigt nun mit der Entfernung, statt zu fallen. Beides sind echte technische Probleme, die schon echte Ausfälle verursacht haben.
Die Antwort ist ein Verteilnetz, das sich selbst misst und steuert: Sensoren entlang der Abgänge, automatische Schalter, die das Netz binnen Sekunden umkonfigurieren, und Wechselrichter beim Kunden, die angewiesen werden können, ihre Blindleistung anzupassen, um die Spannung zu halten. Der Wechselrichter einer Hausanlage ist zu einem Betriebsmittel des Netzes geworden statt nur zu einem Gerät, das Gleichstrom wandelt.
Hier hört der Begriff dezentrale Energie auf, von Erzeugung zu handeln, und beginnt, von Koordination zu handeln. Tausende kleiner Anlagen, einzeln unerheblich, werden zu etwas gebündelt, das eine Leitwarte als eine einzige abrufbare Einheit behandeln kann - ein virtuelles Kraftwerk.
Eine verwandte Verschiebung ist, dass der Netzrand heute den größten Teil des Werts trägt. Dasselbe Haus kann eine Solaranlage, eine Batterie, ein Elektroauto und eine Wärmepumpe haben, und wie diese vier miteinander und mit Preisen umgehen, bestimmt die Netzlast weit mehr als alles, was der Haushalt bewusst entscheidet.
Last, die sich verschieben lässt, und Schwungmasse, die das nicht tut
Die alte Regel lautete, das Angebot folgt der Nachfrage. Die Lastverschiebung kehrt das für jene Verbraucher um, die es vertragen. Eine Aluminiumhütte, eine Flotte von Warmwasserspeichern, ein Parkhaus voller ladender Fahrzeuge - jedes kann seinen Verbrauch um Minuten oder Stunden verschieben, ohne dass es jemand bemerkt, und in der Summe ersetzt diese Flexibilität unmittelbar Erzeugungsleistung.
Die Rechnung ist zwingend, weil Spitzen kurz sind. Ein Netz braucht seine letzten Gigawatt Leistung vielleicht einige Dutzend Stunden im Jahr. Dafür Kraftwerke zu bauen ist teuer; ein paar hunderttausend Warmwasserspeicher zu überreden, zwei Stunden zu warten, ist es nicht. Das ist die günstigste Form der Speicherung in dem Sinne, dass sie überhaupt keine neue Hardware braucht.
Die Schwungmasse ist das feinere Problem und sie ist tatsächlich physikalisch. Ein herkömmliches Kraftwerk hat Turbine und Generator, die mit Tausenden Umdrehungen je Minute laufen, und diese rotierende Masse speichert Bewegungsenergie. Übersteigt der Bedarf plötzlich das Angebot, werden die Läufer geringfügig langsamer und geben einen Teil dieser Energie ab, was den Frequenzabfall verlangsamt und dem Betreiber Sekunden zum Reagieren verschafft.
Windkraftanlagen und Solarmodule sind über Leistungselektronik angebunden statt unmittelbar über eine Synchronmaschine und tragen von sich aus keine Schwungmasse bei. Ein Netz mit hohem Anteil wechselrichtergekoppelter Erzeugung hat weniger Spielraum, bevor die Frequenz gefährlich abweicht, weshalb netzbildende Wechselrichter, Phasenschieber und sehr schnelle Reaktionen aus Superkondensatoren oder Batterien zu aktiven Arbeitsgebieten geworden sind. Es ist eine unspektakuläre Randbedingung, die mitbestimmt, wie schnell ein System dekarbonisieren kann.
Die Messschicht und was sie kostet
Intelligente Zähler sind der sichtbare Teil: ein Zähler, der den Verbrauch alle fünfzehn oder dreißig Minuten meldet statt einmal im Quartal und der in beide Richtungen kommunizieren kann. Ihr eigentlicher Wert liegt weniger in der Abrechnung als darin, dem Betreiber ein Bild davon zu geben, was auf jedem Abgang geschieht.
Phasormessgeräte sind das Gegenstück auf der Übertragungsebene und deutlich genauer. Sie tasten Spannung und Strom bis zu sechzigmal je Sekunde ab, zeitgestempelt gegen Satellitenuhren, sodass Messungen hunderte Kilometer auseinander unmittelbar vergleichbar werden. Damit lassen sich Schwingungen erkennen, die sich über ein Netz aufbauen, bevor daraus Instabilität wird.
Auf der Steuerungsseite erlaubt die Verteilnetzautomatisierung, einen Fehler zu isolieren und nicht betroffene Kunden binnen Sekunden wieder zu versorgen, wo dieselbe Arbeit früher eine Stunde und eine Mannschaft brauchte. Zustandsschätzung verbindet unvollständige Messungen zu einem Bild dessen, was das ganze Netz tut.
Nichts davon ist umsonst, und zwei Kosten werden regelmäßig unterschätzt. Die erste ist die IT-Sicherheit: Ein Netz mit Millionen kommunizierender Endpunkte hat eine weit größere Angriffsfläche als eines ohne, und Leitsysteme brauchen heute den Schutz, der früher der empfindlichsten Infrastruktur vorbehalten war. Die zweite ist der Datenschutz: Verbrauchsdaten im Viertelstundentakt verraten, wann ein Haushalt aufsteht, geht, zurückkommt und schläft, weshalb Zählerdaten in den meisten Rechtsordnungen als personenbezogene Daten reguliert sind. Beides sind Fragen der Steuerung und nicht der Technik, und beides ist der Grund, warum der Ausbau intelligenter Netze im Takt der Regulierung voranschreitet und nicht im Takt der Geräte.
Häufige Fragen
Was macht ein Netz intelligent?
Messung und Kommunikation. Ein herkömmliches Netz liefert Strom in eine Richtung und weiß wenig darüber, was jenseits der Umspannstation geschieht. Ein intelligentes Netz ergänzt Sensoren, Kommunikation in beide Richtungen und automatische Steuerung, sodass Betreiber die Lage in Echtzeit sehen und binnen Sekunden reagieren können statt nach einem Telefonanruf.
Warum verursacht dezentrale Photovoltaik technische Probleme?
Verteilleitungen wurden für einen Fluss von der Umspannstation nach außen gebaut. Gibt eine Straße mehr ab, als sie verbraucht, fließt der Strom in die andere Richtung, für eine Richtung eingestellte Schutzrelais können fehlauslösen, und die Spannung steigt mit der Entfernung, statt zu fallen. Das ist lösbar, verlangt aber Technik und Einstellungen, die das Netz ursprünglich nicht hatte.
Was ist Netzschwungmasse und warum zählt sie?
Die Bewegungsenergie in den drehenden Turbinen und Generatoren herkömmlicher Kraftwerke. Weichen Angebot und Nachfrage plötzlich voneinander ab, wird diese rotierende Masse etwas langsamer und gibt Energie ab, was die Frequenzänderung verlangsamt und den Betreibern Zeit zum Reagieren gibt. Wind und Sonne sind über Wechselrichter angebunden und liefern von sich aus keine, sie muss also anders bereitgestellt werden.
Ist Lastverschiebung dasselbe wie ein Stromausfall?
Nein. Lastverschiebung verschiebt flexible Verbraucher um Minuten oder Stunden - einen Warmwasserspeicher verzögern, das Laden pausieren, einen industriellen Prozess anpassen -, in der Regel vertraglich vereinbart und in der Regel unbemerkt. Ein Stromausfall ist ein unkontrollierter Verlust der Versorgung. Lastverschiebung existiert unter anderem, um die Bedingungen zu vermeiden, die dorthin führen.
Werfen intelligente Zähler Datenschutzfragen auf?
Ja, und sie werden in der Regulierung ernst genommen. Verbrauchsdaten im Viertelstundentakt verraten den Tagesablauf: wann ein Haushalt aufsteht, geht, zurückkommt und schläft. Die meisten Rechtsordnungen behandeln Zählerdaten als personenbezogene Daten mit entsprechenden Vorgaben zu Zugriff, Aufbewahrung und Weitergabe.
