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Netz-Simulation Wenn das Verteilnetz intelligent wird

20.08.2018

Die Energiewende kann nur gelingen, wenn die lokalen Stromnetze, die den Strom in Städten und Dörfern verteilen, intelligenter gesteuert werden. Gemeinsam mit den Industriellen Werken Basel (IWB) erprobt das Unternehmen Adaptricity bereits heute den Betrieb eines Smart Grid.

Ein Stromnetz zu betreiben gleicht einem Balanceakt. Denn Erzeugung und Nachfrage müssen jederzeit im Gleichgewicht sein. Schon kleine Abweichungen können die Frequenz und Spannung im Stromnetz verändern und dabei elektrische Geräte beschädigen. In Zeiten großer, zentral gesteuerter Kraftwerke war die Regelung bereits relativ komplex. In einer Welt, die regenerativ und dezentral erzeugten Strom zur Versorgung mit Strom und Wärme, aber auch zur Fortbewegung nutzt, wird diese Aufgabe noch schwieriger. Das Verteilnetz muss deswegen vom passiven Abnehmer elektrischer Energie zu einem aktiven Stellglied in der Netzsteuerung werden. Dazu muss es mit Intelligenz ausgestattet und regelbar werden, bis hin zu den Millionen Stromzählern in den Haushalten und Bürogebäuden: Die Verteilnetze werden zum Smart Grid. Wie das funktionieren kann, erprobt die Leoni-Tochter Adaptricity seit vier Jahren gemeinsam mit den Industriellen Werken Basel (IWB), dem Verteilnetzbetreiber für die drittgrößte Stadt der Schweiz.

Es sind viele Faktoren, die die Steuerung eines Verteilnetzes schwieriger machen. Einer liegt in der Erzeugung. So produziert die Stadt Basel bereits einen niedrigen zweistelligen Prozentsatz ihres Energiebedarfs vor Ort mit Solaranlagen. Wie viel Strom gerade erzeugt wird, hängt aber vom Wetter ab und schwankt naturgemäß. Außerdem müssen die Verteilnetze nun an besonders sonnigen Tagen den Solarstrom, der nicht vor Ort verbraucht wurde, in umgekehrter Richtung aus dem Niederspannungsnetz ins Mittelspannungsnetz einspeisen. Ein weiterer Faktor ist das Bestreben, den Strom auch zunehmend zur Wärmeversorgung zu verwenden, um fossile Energieträger wie Erdöl und Erdgas abzulösen. Die dafür verwendeten Wärmepumpen erhöhen die Nachfrage, aber auch die jahreszeitlichen Schwankungen beim Verbrauch. Und: Wer es mit der Energiewende ernst meint, der muss auch den Verkehrssektor mitdenken. Wenn aber sehr viele Elektrofahrzeuge zur gleichen Zeit, etwa nach Feierabend, ans Netz gehen, dann kann dies in Zukunft die Verteilnetze in bestimmten Bereichen wie in Wohngebieten überlasten.

Smart Meter bringen die Daten

Eine Lösung liegt im viel diskutierten Ausbau der Verteilnetze, indem Leitungen verstärkt oder neue Leitungen verlegt werden. Das Aufgraben von Straßen und Wegen ist aber nicht nur aufwändig, sondern in stark verdichteten Ballungsräumen auch nicht immer so einfach möglich. So dürfen beispielsweise in Basel frisch gebaute oder sanierte Straßen in den ersten fünf Jahren grundsätzlich nicht aufgegraben werden. Eine andere Lösung liegt in intelligenten Verteilnetzen, den Smart Grids. Ihre Grundlage sind Stromzähler, die den aktuellen Verbrauch digital erfassen und die ihre Ergebnisse über ein Kommunikationsmodul an ein zentrales Energiedatenmanagement melden. Seit 2012 hat die IWB Basel einen großen Teil der Stromzähler im Stadtgebiet mit Smart Metern ersetzt. Heute ist Basel mit 60.000 installierten Geräten bei einer Gesamtzahl von 140.000 Stromzählern unter den großen Städten der Schweiz diejenige mit der höchsten Durchdringung. „Damit schaffen wir die Voraussetzung für ein transparentes Verteilnetz, um zukünftige Lasten und Erzeugungsanlagen intelligent ins Netz zu integrieren“, sagt Planungsingenieur Dirk Schmidt von den Industriellen Werken Basel, der das Smart-Meter-Projekt in Basel verantwortet.

Simulationsplattform für Netzgebiete

Der nächste Schritt ist die Auswertung der Daten. Dazu werden die umfangreichen Messungen zu den einzelnen Lastgängen in die Netzanalyse- und Simulationsplattform Adaptricity.sim importiert. Inzwischen kann die Software nicht nur Plausibilitätskontrollen machen, sondern ist auch in der Lage, fehlende Daten zu ergänzen. Mit Hilfe bestimmter Rahmenbedingungen wie beispielsweise bekannten Jahresverbräuchen, den Daten der umliegenden Smart Meter und, sofern vorhanden, denen der betreffenden Trafostationen errechnet die Software sogenannte synthetische Lastgänge und bindet diese in das Gesamtmodell ein.

Auf Gebietskarten visualisiert die Simulationsplattform dann Produktion und Verbrauch für die einzelnen Netzgebiete, die Strombelastung der einzelnen Leitungsabschnitte sowie die Spannungsqualität. „So können wir auf einen Blick sehen, wo im Verteilnetz die Hotspots sind und voraussagen, wo genau Engpässe entstehen könnten“, sagt D. Schmidt. Im Projektverlauf stellte sich heraus, dass die Integration von Daten aus den Trafostationen, etwa zu Stromflüssen und Spannungen, die Aussagekraft der Prognosen deutlich erhöhen kann. In den nächsten fünf Jahren will IWB sämtliche 600 Trafostationen im Stadtgebiet mit fest installierten Messgeräten ausstatten.

Die Chancen dabei sind groß: Das Verteilnetz wird von einer Blackbox zum transparenten, digitalen Ökosystem für das gesamte Lastmanagement. So können Betreiber etwa zeitabhängige Tarife bis zum Viertelstundentakt hinunter anbieten und die Verbraucher dazu ermuntern, ihre Nachfrage der jeweiligen Lastsituation anzupassen. Die Kunden, die Wärmepumpen einsetzen, können von günstigeren Stromkosten profitieren, wenn diese sich bei Spitzenlasten kurzfristig ab- und dann wieder einschaltbar machen. Eine transparenter Einblick in den Netzbetrieb mit Smart-Meter-Datenanalysen kann auch eines Tages die gezielte Netzsteuerung ermöglichen. In Verbindung mit einem weiteren Ausbau der erneuerbaren Energien sind dies wichtige Schritte hin zu einer klimaneutralen Energieversorgung mit dem Stromnetz als zentrale Energieplattform.

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