Mit jedem Balkonkraftwerk, Batteriespeicher und Elektroauto steigen die Anforderungen an das Stromnetz. Der Engpass liegt längst nicht mehr nur im Ausbau, sondern in der intelligenten Steuerung dezentraler Erzeugung und flexibler Lasten. Genau daran arbeiten Forschende in Coburg – mit Smart-Grid-Konzepten, Simulationsverfahren und einem digitalen Zwilling für den Netzbetrieb. Prof. Dr. Bernd Hüttl von der Hochschule Coburg beschäftigt sich in seiner Forschung und Lehre mit der regenerativen Energieversorgung, der Weiterentwicklung von Photovoltaik-Systemen sowie der Überwachung von PV-Anlagen an der Fakultät Elektrotechnik und Informatik (FEI). Hüttl sagt: „Regenerative Energiesysteme müssen intelligent sein, da es einer ständigen Abstimmung der Energieflüsse durch das Einbinden von Kurz- und Langzeit-Energiespeichern und ein intelligentes Energiemanagement bedarf.“
Energiewende im Kleinen
Ein Balkonkraftwerk mit 2.000 W installierter PV-Leistung erzeugt im Jahr durchschnittlich etwa 1.500 KWh Energie, was einer Stromkostenreduktion von etwa 400 Euro entspricht, rechnet Prof. Hüttl vor. Bei etwa 1,5 Millionen solcher Installationen in ganz Deutschland könnte an sonnigen Tagen eine theoretische Netzentlastung von 0,5 Prozent und eine CO2-Einsparung von 750.000 t pro Jahr erreicht werden. Bei den marktüblichen Geräten mit bis zu 2.000 W Leistung fließe jedoch relativ wenig Strom ins Netz: „Sie erhöhen im Wesentlichen den Autarkiegrad der Besitzer und senken den Netzbezug.“ Selbst wenn die etwa 3.000 in Coburg installierten Balkonkraftwerke gleichzeitig ins lokale Niederspannungsnetz einspeisen würden, wäre das Netz dazu in der Lage.
Die maximale Einspeiseleistung von Balkonkraftwerken ist gesetzlich auf 800 W begrenzt. Die weitaus größere Herausforderung für die Verteilnetze liegt daher in der Koordination größerer, meist gleichzeitig einspeisender dezentraler PV- und Windkraftanlagen. Dafür sind Kommunikations- und Steuerungssysteme sowie eine Regulierung dieser Systeme und der verbundenen Speichersysteme notwendig. „Die Stromnetzbetreiber, bei uns also die SÜC, müssen die Netzstabilität und Versorgungssicherheit garantieren“, sagt Hüttl.
Warum Netze mitdenken müssen
Sobald Batteriespeicher hinzukommen, werden immer mehr automatisierte Steuerung und moderne Stromzähler benötigt. Mehr dezentral erzeugter Strom verlangt neben Netzausbau auch mehr Intelligenz im System. Das ist das Fachgebiet von Prof. Dr. Christian Weindl, ebenfalls von der Fakultät FEI. Zudem leitet er zusammen mit Prof. Dr. Hüttl das Institut für Hochspannungstechnik, Energiesystem- und Anlagendiagnose (IHEA). „Ich beschäftige mich mit der Frage, wie unsere Energieversorgung auch in Zukunft sicher, nachhaltig und wirtschaftlich funktionieren kann. Mein Ziel ist es, aus klassischen Stromnetzen flexible und intelligente Energiesysteme zu machen.“
Smart Grids sind Systeme, die Erzeugung, Verbrauch und Speicherung digital aufeinander abstimmen und Haushalte – mit zum Beispiel Batteriespeichern, Elektroautos oder Wärmepumpen – als künftige Teile des Energiesystems steuern können. „Intelligente Netze sorgen dafür, dass diese Komponenten optimal zusammenarbeiten und Strom dann genutzt wird, wenn er regional verfügbar ist. Die Energiewende ist eine der größten technischen und gesellschaftlichen Transformationsaufgaben unserer Zeit. Intelligente Stromnetze sind der Schlüssel, damit Versorgungssicherheit und Klimaschutz zusammen funktionieren.“
Dabei spielen auch Digitalisierung und Künstliche Intelligenz im gesamten System eine wichtige Rolle, damit Verbraucherinnen und Verbraucher von mehr Effizienz, Transparenz und geringeren Kosten profitieren. Früher floss Strom überwiegend zentral erzeugt in eine Richtung zum Verbraucher. Heute entstehen zunehmend Netze mit vielen Einspeisepunkten in beide Richtungen. Dadurch steigen die Anforderungen an Netzführung, Regelungstechnik, Messsysteme und Prognoseverfahren erheblich, erklärt Weindl: „Das Stromnetz der Zukunft wird wesentlich datengetriebener und dynamischer arbeiten als heute.“
EEG-Novelle macht intelligente Netze noch wichtiger
Wie wichtig solche Systeme künftig werden, zeigt auch die geplante EEG-Novelle für das Jahr 2027: Erneuerbare Energien sollen stärker markt- und systemorientiert in das Stromsystem integriert werden. Gleichzeitig soll der Ausbau stärker an den vorhandenen Netzkapazitäten ausgerichtet werden. Dies entspricht genau der Richtung, in die Prof. Dr. Christian Weindl seit Jahren forscht: „Unsere Forschungen setzen an der Schnittstelle von erneuerbarer Erzeugung, Verbrauch, Speicherung und Netzbetrieb an.“ Die von ihm und seinem Team entwickelten Steuerungsstrategien und -systeme sollen dazu beitragen, Erzeugungsspitzen abzufangen und vorhandene Netzkapazitäten besser auszunutzen. Erneuerbare Energien können so gezielter eingesetzt oder gespeichert werden, wenn dies wirtschaftlich und für das Netz sinnvoll ist. „Damit kann es gelingen, den notwendigen Netzausbau zu begrenzen, intelligent zu steuern und effizient zu gestalten.“
Was heute noch wie Zukunftsmusik klingt, könnte schon bald Realität werden: So könnten Elektroautos über bidirektionales Laden zu flexiblen, dezentralen Speichern werden und Teil eines intelligenten Energiesystems sein. Eine Photovoltaikanlage auf dem Dach, ein Batteriespeicher, eine Wärmepumpe und ein Elektrofahrzeug könnten dann so aufeinander abgestimmt werden, dass überschüssiger Solarstrom zunächst gespeichert oder zum Laden des Fahrzeugs genutzt wird, während energieintensive Verbraucher möglichst dann aktiv werden, wenn Strom günstig ist und das Netz weniger belastet ist. „Wir entwickeln Steuerungsstrategien, die Mobilitätsanforderungen mit der Speicherung von PV-Überschüssen, der Reduzierung von Lastspitzen und der netzdienlichen Bereitstellung von Energie verbinden“, erklärt Weindl. Das kann die Stromkosten für Verbraucher senken, gleichzeitig werden Erzeugung und Verbrauch besser aufeinander abgestimmt und vorhandene Netzkapazitäten effizienter genutzt.
Praxislabor für dezentrale Systeme
Deshalb werden am IHEA Simulations- und Steuerungsverfahren entwickelt, mit denen sich dezentrale Energiesysteme stabil und effizient betreiben lassen. Die Erkenntnisse fließen in Projekte mit Unternehmen und Kooperationen in der Region. „Die Energiewende kann nur funktionieren, wenn Forschung, Wirtschaft, Kommunen und Energieversorger eng zusammenarbeiten. Gerade regionale Kooperationen ermöglichen es uns, wissenschaftliche Erkenntnisse direkt in konkrete Anwendungen zu überführen“, sagt Weindl.
Da im Coburger Raum ländliche und städtische Strukturen sowie unterschiedliche Netzsituationen und eine Offenheit für Innovation zusammentreffen, eignet er sich gut als Testfeld, um dezentrale Energiesysteme und teilautarke Quartierslösungen zu erproben. Die Energiewende entscheidet sich damit auch und vor allem auf Hausdächern, an Balkonen und in Verteilernetzen vor Ort. Dafür braucht es technische und gesellschaftliche Lösungen, Forschung und Menschen, die sie in die Praxis bringen.
Digitaler Zwilling soll Blick ins Stromnetz ermöglichen
Ein aktuelles Projekt mit einem Netzbetreiber aus Nordostbayern zeigt, wie sich solche Forschungsansätze künftig noch stärker in die Praxis übertragen lassen. Die Wissenschaftler arbeiten daran, ihre Simulationsplattform mit einem digitalen Zwilling des Netzes zu verbinden. Bislang kennen Netzbetreiber den tatsächlichen Zustand ihres Netzes nämlich nur an bestimmten Messpunkten. Durch die Kombination dieser realen Daten mit Simulationen lässt sich ein umfassenderes Bild des Netzzustands ableiten. „Wir speisen die vorhandenen Daten in die Simulation ein und können daraus hochrechnen, was im gesamten Netz los ist“, erklärt Weindl. Eine solche Zustandsabschätzung könnte künftig dabei helfen, Netze genauer zu überwachen, Belastungen frühzeitig zu erkennen und den Betrieb gezielter zu steuern.
So könnte der digitale Zwilling zu einem wichtigen Werkzeug für die Energieversorgung der Zukunft werden. Er macht sichtbar, wo Netze belastet sind, wo Kapazitäten vorhanden sind und wie sich neue Erzeuger und Speicher integrieren lassen. Damit rückt das Ziel eines intelligenten Stromnetzes näher, das nicht nur mehr erneuerbare Energie aufnehmen kann, sondern auch flexibel auf deren schwankende Verfügbarkeit reagiert. Die Zusammenarbeit mit Netzbetreibern ist dabei ein entscheidender Schritt, denn sie verfügen über zentrale Informationen und tragen Verantwortung für einen sicheren und effizienten Netzbetrieb.
