Erschwerend kommt hinzu, dass aus Rücksicht auf die Umwelt Strom zunehmend aus erneuerbare Energien gewonnen werden sollte. Diese stehen jedoch nicht an jedem Ort in gleichem Maße und rund um die Uhr zur Verfügung. Um die damit verbundenden Herausforderungen zu meistern, bedarf es der Entwicklung einer stärker vernetzten und auf die jeweilige Nachfragesituation reagierenden Infrastruktur – es bedarf eines intelligenten Stromnetzes, auch Smart Grid genannt.

Smart Grid – das Intelligente Stromnetz
Der Begriff Smart Grid bezeichnet das Zusammenspiel von Hardware und Software zu einem System, das eine optimale Energieeffizienz in der tagtäglichen Stromversorgung gewährleistet, indem es autonom auf die aktuelle Nachfrage und Ereignisse in der Stromversorgung reagiert. Verschiedene Ereignisse stellen täglich neue Anforderungen an die Stromnetze. Dazu zählen unter anderem geplante und ungeplante Stromausfälle, eine ungleichmäßige Auslastung des Stromnetzes, die Speicherung von Energie in Spitzenproduktionszeiten und die Rückeinspeisung bei besonders hoher Nachfrage. Hier kann ein intelligentes Stromnetz eigenständig Messungen der zur Verfügung stehenden Energiemenge übernehmen und überwachen, welche Netzteile wie stark ausgelastet sind oder Störungen aufweisen. Auf die jeweilige Situation kann das System in Echtzeit reagieren und die zur Verfügung stehende Strommenge so kontrollieren, dass ein verlässlicher und stabiler Betrieb zu jeder Zeit gewährleistet ist. Bei der Entwicklung eines solchen Smart Grids ist es daher entscheidend, die verschiedenen Charakteristika der Stromversorgung genau zu prüfen und einzubinden. Dazu zählen unterschiedlichen Nutzungsmuster, die verschiedenen Eigenschaften erneuerbare Energien und mit ihr einhergehender Systeme (Windenergie, Solarenergie, Elektroautos und Biomasse) sowie tageszeitabhängige und nachfrageabhängige Preisstrukturen.

Die vier Entwicklungsschritte zum intelligenten Stromnetz
Vier entscheidende Schritte führen uns zu einem umfassenden Smart Grid. Der erste Schritt liegt in innovativen Mess- und Monitoringsystemen. Durch diese können Endabnehmer ihren Stromverbrauch besser planen, koordinieren und so auf die Preisentwicklung reagieren. Im zweiten Schritt steht der Ausbau von leistungsfähigen Stromleitungen im Mittelpunkt, die in der Lage sind, Energie möglichst effizient über weite Strecken zu transportieren. Im dritten Schritt werden Energiespeicher unterschiedlicher Größe an das Netz angeschlossen. Der vierte Schritt besteht in der Schaffung einer zuverlässigen Kommunikationsstruktur, die in Verbindung mit dem intelligenten Stromnetz arbeitet und die einzelnen Bestandteile koordiniert.
Diese Entwicklungsschritte sind nicht notwendigerweise in der oben beschriebenen Reihenfolge umzusetzen. Faktisch muss eine enorme Anzahl von Organisationen und Industriezweigen eingebunden werden, der Komplexität dieser zweiten Generation von Stromnetzen gerecht zu werden. Das hat zur Folge, dass sich das intelligente Stromnetz je nach Region individuell entwickelt und nicht überall gleichzeitig zur Verfügung stehen wird.
Um den derzeitigen Lebensstandard zu halten und die Energieverfügbarkeit weiterhin zu gewährleisten, muss die Entwicklung des intelligenten Stromnetzes der Zukunft weiter vorangetrieben werden. Wir befinden uns gerade in der ersten Phase, die innerhalb der nächsten zwei Jahre abgeschlossen sein kann. Eine Realisierung des vollen Smart Grids ist noch in dieser Dekade möglich – sofern kontinuierlich an den Planungen festgehalten und die Finanzierung gesichert wird.

Ausblick auf ein Jahrhundertprojekt
Bisher wurden schon entscheidende Verbesserungen am bestehenden Stromnetz getätigt. Die großen Stromanbieter haben beispielsweise hochentwickelte Überwachungssysteme installiert, um Stromausfälle besser lokalisieren zu können. Automatisierte Algorithmen sorgen inzwischen dafür, die Stromnetzte während der Nachfragespitze zu entlasten.
Der Aufbau des intelligenten Stromnetzes basiert auf Entwicklungen von Ingenieuren, Biologen, Physikern, Chemikern, Ökonomen und vielen weiteren Experten, die neue Materialien, Techniken und Prozesse entwickeln müssen, um dieses Jahrhundertprojekt umzusetzen. An vielen Orten existieren bereits gut funktionierende Stromnetzte. Während ihre Architektur von Grund auf erneuert wird, müssen diese komplexen Systeme auch weiterhin zuverlässig arbeiten. Aus technologischer Sicht ist die Entwicklung eines Smart Grids daher eine besondere Herausforderung, die mehr Industriezweige beschäftigen wird als jedes andere aktuelle Vorhaben.

Von H. Alan Mantooth
H. Alan Mantooth ist IEEE Fellow. Er ist Professor in Mixed Signal IC Design und CAD Electrical Engineering an der Universität Arkansas, USA.


Über IEEE
IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc.) ist der weltweit größte Berufsverband von Ingenieuren.  Er fördert Innovation und Spitzentechnologien zum Allgemeinwohl. Durch seine mehr als 395.000 Mitglieder  in 160 Ländern ist IEEE eine führende Autorität in technologischen Bereichen von Luft- und Raumfahrt, Computer und Telekommunikation zu Biomedizintechnik, elektrischer Energie und Consumer Electronics. Dem technischen Fortschritt verpflichtet, veröffentlicht IEEE 30 Prozent der Weltliteratur in den Bereichen der Elektro- und Energietechnik sowie Computerwissenschaften und hat fast 900 aktive Industriestandards entwickelt. Die Organisation sponsert jährlich rund 1.000 Konferenzen weltweit.

www.ieee.org