Smart Grids – Nicht nur ein Beitrag sondern Säule der Energiewende

Dipl.-Phys. Andreas Kießling, energie@andreas-kiessling.de, 18. Januar 2013

Die globale Situation erfordert die Schonung natürlicher Ressourcen. Daraus resultiert die gesellschaftliche Notwendigkeit zur Transformation des Energiesystems zu Kreisläufen mit höchster Energieeffizienz unter dem Vorrang Erneuerbarer Energien. Die Erschließung aller Potentiale an Erneuerbaren Energien sowie der Systemumbau ist nur bei breiter gesellschaftlicher Akzeptanz umzusetzen. Akzeptanz von Veränderungsprozessen erfordert Transparenz durch Vermittlung von Wissen über Zusammenhänge und wirtschaftliche Chancen für alle Beteiligten. Wissen über Chancen zur Partizipation an der energiewirtschaftlichen Wertschöpfung führt zum Engagement aller gesellschaftlichen Kräfte, interdisziplinärer Zusammenarbeit und gestaltender Kraft.

Dabei sind private und unternehmerische Ziele, kommunale und regionale Energiekonzepte gleichberechtigt in gesamtstaatliche und europäische Anforderungen einzuordnen, um Subsidarität zu gewährleisten und Globalisierung zu ermöglichen. Hohe Versorgungssicherheit wird weder durch zentralisierte Systeme noch durch regionale Egoismen entstehen. Dies bringt wiederum vier grundlegende Herausforderungen mit sich.

Erstens führt die Breite erneuerbarer Energiequellen, deren Wandlung zu Elektrizität, Wärme und Gas sowie die Anwendung im Verkehrssektor, im Wohnbereich, Gewerbe und in Industrie zur Vielfalt neuer Energieflüsse. Zweitens wird die Dezentralität zum Kennzeichen neuer Wertschöpfungschancen in Regionen, in Kommunen sowie bei den Bürgern und Unternehmen, die eine vom Verbrauchsort entfernten Erzeugung mit Windenergie in den Meeren und Sonnenenergie aus der nordafrikanischen Wüste weitgehend unterstützt. Die dritte Herausforderung besteht in der Beherrschung der Volatilität, also des schwankenden Angebotes an Erneuerbaren Energien. Zuletzt, aber nicht als weniger große Aufgabe, ist viertens die Komplexität der Steuerung dezentraler Energiesysteme und vernetzter Energieflüsse zu beherrschen.

Die sich hierbei ergebenden vielfältigen Beteiligungen der Prosumer als Entrepreneurs im energiewirtschaft-lichen Netzwerk, Autonomiebestrebungen und bidirektionale Energieflüsse sind in ein nationales und europäisches Verbundsystem einzuordnen. Die daraus erwachsende Komplexität ist nicht mehr durch eine alleinige Systemverantwortung zu beherrschen. Ein zellulares Steuerungskonzept für Energienetze unterstützt, zentrale und dezentrale Verbundenheit, Abstimmungen zwischen Netzen, regionale Markt- und Netzmechanismen herzustellen sowie Informationssicherheit und Datenschutz im Netz zu gewährleisten.

Die resultierenden Veränderungen betreffen das gesamte Energiesystem sowie alle darin agierenden Akteure. Netzverstärkende Maßnahmen in den Übertragungs- und Verteilungsnetzen zum Transport lastferner Energiekapazitäten sowie zur Beherrschung dezentraler Energieflüsse wechselnder Richtung gehören sicherlich zum Fundus notwendiger Schritte beim Systemumbau. Die Diskussion um den Netzausbau ist aber nicht hinreichend, da dieser Aspekt nur eine Säule der Energiewende ist.

Ein weiterer Aspekt ergibt sich auf Grundlage der neuen Herausforderungen darin, dass vielfältige Flexibilitäten von Energieflüssen zum Ausgleich zwischen Regionen, zwischen Netzbereichen, bei der Energiebilanzierung von Marktakteuren sowie zur Lösung von Netzproblemen benötigt werden. Zu den Mitteln der Flexibilisierung gehören Verbrauchs- und Erzeugungssteuerung, Speicherung sowie Energieimport/-export zwischen den Netzhierarchien aber auch zwischen subsidären Interessen und europäischen Verbundmärkten. Insbesondere wird viertens die Flexibilisierung der Energieflüsse durch integrierte Transportprozesse von Elektrizität, Gas und Wärme in als Polynetze gesteuerten Verbundnetzen erreicht.

Die Erschließung der beschriebenen Flexibilitätsoptionen erfordert jedoch neue Mechanismen im Energiemarkt. Das heutige Marktdesign ist nicht geeignet, den Vorrang Erneuerbarer Energien in wirtschaftlicher Weise abzubilden. Insofern ist das neue Marktdesign als konsistenter Rahmen gesetzlicher Veränderungen und regulatorischer Anpassungen zu gestalten.

Der Integration der Liegenschaften in Markt- und Netzprozesse kommt dabei eine entscheidende Bedeutung zu. Dies umfasst die Steuerung von Energieerzeugung und Energieeinsatz, die Marktintegration der dezentralen Erzeugungsanlagen sowie drittens die Energieeffizienzsteigerung. Grundlage dafür ist die Verbindung der Energieinfrastruktur und des Energiemarktes mit den Energieflüssen in den Liegenschaften der Netznutzer mittels Informations- und Kommunikationstechnologie. Somit benötigen Markt- und Netzfunktionen ein erweitertes Energieinformationssystem, das gemeinsam mit der heutigen Infrastruktur der Energienetze unter dem Begriff Smart Grid diskutiert wird.

Da diese informationstechnische Infrastruktur nicht für die notwendige Markt- und Netzintegration mehrfach benötigt wird, aber Anreize zur Entwicklung der notwendigen Informationstechnik durch einen Akteur für andere Akteure fehlen, sind Verantwortlichkeiten und die Finanzierungsrahmenbedingungen zu definieren. Im Sinne einer volkswirtschaftlich optimierten Lösung sowie der weiteren Gewährleistung von Versorgungssicherheit und Informationssicherheit in einer vernetzen kritischen Infrastruktur wird die gerichtete Modernisierung der Energienetzeinfrastruktur mit Informations- und Kommunikationstechnologien zu intelligenten Netzen als Smart Grid aus elektrotechnischen und informationstechnischen Bausteinen bis hin zu den Liegenschaften durch den Verteilungsnetzbetreiber empfohlen. Dabei ist diese Infrastruktur beim Aufbau durch einen regulierten Akteur diskriminierungsfrei allen Marktakteuren zur Verfügung zu stellen.

Betont wurde, dass einerseits Smart Grids die elektrotechnische und informationstechnische Infrastruktur für neue Markt- und Netzfunktionen im transformierten Energiesystem abbilden, aber anderseits die notwendige Flexibilisierung der Energieflüsse die Bildung von gemeinsam gesteuerten Polynetzen aus den Medien Elektrizität, Gas und Wärme sowie deren Nutzung im Verkehrssektor und den Liegenschaften erfordert. Insofern entwickeln sich Smart Grids zu umfassenden intelligenten Infrastrukturen als Grundlage für die Entwicklung der intelligenten Stadt der Zukunft. Regionalen Netzbetreibern eröffnen sich damit neue Chancen bei der Gestaltung von Smart Grids als Lebensadern zukünftiger Smart Cities.

Der weltweite Prozess der Urbanisierung sowie die Anstrengungen zu höherer Energieeffizienz und Ressourcenschonung bietet Deutschland als Exportland bedeutende Chancen bei der Erlangung der weltweiten Vorreiterrolle auf dem neuen Technologiegebiet Smart Grids und damit in der Sicherstellung der wirtschaftlichen Stärke durch Konzentration auf ein für die Zukunft entscheidendes Betätigungsfeld.

Die Energiewende sowie der dafür notwendige Aufbau von Smart Grids als wichtige Säule kann aber nur durch kohärente Gestaltung des energiewirtschaftlichen und regulatorischen Rahmens zum Marktdesign für Flexibilitäten, regionalen Mechanismen in Verbundmärkten, zur Definition neuer Prozesse mit standardisierter Kommunikation, zu neuer Technologieausstattung, zu Informationssicherheit und Datenschutz sowie zur Verantwortung für die Infrastrukturentwicklung von Smart Grids gelingen.

Smart Grids stellen die intelligente Energieinfrastruktur für regionale Beteiligung und überregionale Verbundenheit im effizienten und integrierten Energiesystem auf Grundlage Erneuerbarer Energien dar.

Transformation zum integrierten und effizienten Energiesystem mit regionaleren Strukturen auf Grundlage Erneuerbarer Energien

Dipl.-Phys. Andreas Kießling

Mannheim, den 16. Oktober 2011

Energiepolitische Zielstellungen und Gestaltungsszenarien

Um die ökologischen und energiepolitischen Ziele umzusetzen, wird ein zügiger Ausbau Erneuerbarer Energien sowie eine massive Steigerung der Energieeffizienz benötigt.

Um auf Grundlage dieser Ziele Handlungsentscheidungen abzuleiten, besteht zuerst die Aufgabe das Marktdesign unter den neuen Rahmenbedingungen festzulegen. Es handelt sich nicht um eine einfache Marktintegration der Erneuerbaren Energien in das vorhandene Marktdesign, sondern ein neues Marktdesign ist zu gestalten.

Dabei sind folgende drei grundlegenden Szenarien abzuwägen:

1)    Zentrales, vorrangig stromorientiertes Energiesystem mit dem Vorrang auf offshore Windenergie insbesondere im Nordseebereich, mit Solarstrom aus Nordafrika, Pumpspeicherkraftwerken in Norwegen und Österreich, neuen Höchstspannungsnetzen von Norwegen bis Nordafrika sowie weiterhin passiven Verteilungsnetzen in den Regionen und Energieeffizienz allein in Verantwortung des Verbrauchers

2)    Durchgängig dezentrales Energiesystem in der Verbundenheit von Strom und Wärme mit vollständiger regionaler Autonomie auf Grundlage regionaler Wind- und Sonnenenergie, Biomasse und Biogas sowie eventuell vorhandener Geothermie und Fließwasserenergie mit Batteriespeichern sowie verbundener Regelung von Strom und Wärme zur Ausnutzung der Wärmespeicherpotentiale

3)    Verbundenes Energiesystem aus zentralen und dezentralen Strukturen mit der Möglichkeit des überregionalen Kapazitätsausgleiches, aber auch der verbundenen Regelung von Strom,  Wärme und Gas im integrierten Energiesystem sowie regionaler Verantwortung und Wertschöpfung mit hohem Flexibilisierungs- und Effizienzpotential

Der Hauptnachteil eines rein zentral erzeugenden und gesteuerten Energiesystems liegt in der geringen Flexibilität im Umfeld eines mit Erneuerbaren Energien sehr schwankenden Angebotes sowie im hohen Grade der Angreifbarkeit einer zentral aufgebauten kritischen Infrastruktur und damit in der Gefährdung der Versorgungssicherheit.

Der Hauptnachteil eines rein dezentral geführten Systems  liegt wiederum im geringen Grade der Motivation zur gegenseitigen Unterstützung in verschiedenen Regionen bei Energiemangel in einigen Bereichen und Energieüberschüssen in anderen Bereichen. Damit ist die Versorgungssicherheit bei Mangelsituationen ebenso regional gefährdet.

Die Vorteile in der Verbindung dezentraler und zentraler Ansätze zur Gestaltung eines zellularen Energieorganismus wiederum bestehen in folgenden Kernpunkten:

• Offener wettbewerblicher Markt bis hin zur Wertschöpfung beim Bürger, den Kommunen, den Regionen und damit die maximale Aktivierung aller Beteiligten für die Energiewende durch entsprechende vielfältige Nutzenseffekte und Beteiligung an der energetischen Wertschöpfungskette (Energie, Einnahmen und Arbeitsplätze in den Regionen) sowie auch im Grade der Erschließung einer hohen Wachstumsquote beim Aufbau Erneuerbarer Energieanlagen
• Im Umfeld wachsender Gefahren durch Angriffe auf die reale Welt über das Internet höhrere Versorgungssicherheit durch verteilte Erzeugung und Steuerung über die Übertragungsnetze, die Verteilungsnetze bis hin in die Objekte der Kunden in einer Art zellularen Energieorganismus analog zur höheren Kommunikationsverfügbarkeit im Internet gegenüber den Angriffsrisiken einer zentralen Kommunikationsinfrastruktur
• Höheres Potential an Flexibilisierungsoptionen durch überregionale Grundlastsysteme sowie flexible Kleinstrukturen mit regionalen Ausgleichsmassnahmen, Speichern auf allen Ebenen sowie Energieausgleichsmechanismen zwischen integrierten und intelligent geführten Strom- Gas- und Wärmenetzen bis hin zur Mobilität mit Strom, Biogas und Wasserstoff
• Stärkere Verbindung von Energielieferung und wiederum bezüglich Strom, Gas und Wärme übergeifender Energiedienstleistung inklusive Energiemanagementsysteme in den Gebäuden und damit maximierte Nutzung der Energieeffizienzpotentiale
• Verringerung von Transportverlusten sowie Minimierung von Netzausbau durch erzeugungsnäheren Verbrauch mit zusätzlichem Beitrag zur Energieeffizienz

Paradigmenwechsel und neue Anforderungen

Auf Grundlage der oben dargestellten energiepolitischen Zielstellungen und der Szenariobestimmung ist ein klarer Paradigmenwechsel zu erkennen. Der Übergang aus der zentralen Energiewelt mit fossilen Kraftwerken und Kernkraftwerken zu Erneuerbaren Energien und viel mehr Energieeffizienz bewirkt auch eine deutlich verteiltere und dezentralere Erzeugung mit vielfältiger Beteiligung von neuen Akteuren in den Regionen und Kommunen bis hin zu den einzelnen Bürgern. Dieses Energiesystem ist ebenso nicht mehr zentral zu steuern. Deshalb sind auch in der Steuerung eines zukünftig integrierten, zwischen zentralen und dezentralen Mechanismen sowie über Strom, Wärme und Gas hinweg gemeinsam geführten, verbundenen Systems neue dezentrale Mechanismen für Markt- sowie für Netzführungsprozesse notwendig.

Somit ist zu erkennen, dass es sich nicht einfach um die Integration der Erneuerbaren Energien handelt, sondern dass es um die Gestaltung eines neuen Marktdesigns geht. Um dies zu ermöglichen, sind entsprechende politische Bekenntnisse nicht nur für den Aufbau der Erneuerbaren Energien sondern auch für die Förderung regionaler Marktmechanismen und die Unterstützung der Regionalversorger bei der Entwicklung der dezentralen Erzeugung und der Förderung lokaler energiewirtschaftlicher Gesamtkonzepte notwendig. Eine Vorrangförderung für offshore-Windanlagen sowie Solarstrom in Nordafrika ist dabei schädlich.

Dieser Paradigmenwechsel führt zu neuen Anforderungen bezüglich der Markt- und Netzsteuerung mit viel höheren Geschwindigkeitsanforderungen bis zur Echtzeitfähigkeit, mit neuen Automatisierungsanforderungen in den Verteilungsnetzen und bei den Marktakteuren sowie auch zu Energiemanagementsystemen in den Gebäuden der Netznutzer. Es wird im Vergleich zur gegenwärtigen Situation eine höhere Flexibilität von Erzeugung und Verbrauch benötigt, die mit dynamischer Leistungssteuerung, Energiespeichern auf allen Netzebenen, integrierten Energiesystemen aus Elektrizität, Wärme und Gas sowie zellularen, und damit gegen Ausfälle und Angriffe robusteren Systemen erreicht werden soll.

Um dies voranzubringen, werden intelligent gesteuerte Energienetzwerke (Smart Grids) sowie intelligente Messsysteme (Smart Metering) benötigt, die bei sehr unterschiedlichen Anforderungen und Akteuren aber nicht zwingend die gleichen Kommunikationseinrichtungen nutzen müssen.  Diese Netzwerke funktionieren als territorial organisierte und sich selbst ausgleichende Einheiten mit Strom-, Gas- und Wärmeerzeugern, Energiespeichern und Energienutzern.

Die Netzwerke berücksichtigen im Strombereich gleichzeitig die regionale Situation wie auch Vorgänge in anderen Regionen - wie zentrale Quellen, beispielsweise offshore-Windparks. Dies ermöglicht die Nutzung regionaler Chancen durch Kommunen, aber auch die Beteiligung am Nutzen der neuen Systeme durch alle Bürger.

Dafür ist das bisherige Energieversorgungssystem auf der letzten Meile im Niederspannungsbereich bis hin in die Objekte der Kunden mit einem Energieinformationssystem aus Kommunikationssystem und Automatisierungssystem zu verbinden. Es entwickelt sich das intelligente Energieversorgungssystem (Smart Grid) als Netzwerk aller Komponenten mit mehr Informationen über Erzeugung und Verbäuche.

Maßnahmenvorschläge für die Politik

Die Zielstellungen der zukünftigen Energiepolitik führen, wie dargestellt, zu einem Paradigmenwechsel mit Anforderungen an ein neues Marktdesign und spartenübergreifend integrierte sowie zentral und dezentral verbundene Energiesysteme. Diese marktbedingten und effizienzbedingten Anforderungen führen zu neuen technischen Anforderungen für intelligente und vernetzte Energiesysteme. Die sich daraus ergebenden Handlungsempfehlungen an die Politik können folgendermaßen zusammengefasst werden.

1)    Richtlinienerstellung zur Umsetzung folgender europäischer Energieinfrastrukturpriorität entsprechend dem 2011 vorliegenden Regulierungsvorschlag an das EU-Parlament

„Smart Grid-Entwicklung: Adoption von Smart Grid-Technologien in der gesamten Union, um effizient das Verhalten und die Aktionen aller mit dem elektrischen Netzwerk verbundenen Kunden zu integrieren, insbesondere die Erzeugung eines hohen Betrages an elektrischer Energie durch erneuerbare oder verteilte Energiequellen sowie Demand Response beim Verbraucher umzusetzen.“

Zu entwickeln ist dabei insbesondere Kategorie 1e der europäischen Energieinfrastruktur entsprechend folgender Definition mit auf Mitgliedsstaaten bezogenen Infrastrukturprogrammen:

„Jede Art von Equipment oder Installationen für den Übertragungs- und den Verteilungslevel, mit dem Ziel der digitalen bidirektionalen Kommunikation, der Echtzeitfähigkeit, mit interaktiver und intelligenter Überwachung und Management der elektrischen Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Verbrauch innerhalb eines elektrischen Netzwerkes im Hinblick auf die Entwicklung des Netzwerkes, um effizient das Verhalten und die Aktionen aller mit ihm – sowie mit Erzeugern, Verbrauchern und Einheiten, die beides tun, - verbundenen Kunden zu integrieren, um ein ökonomisch effizientes,  nachhaltiges Elektrizitätssystem mit niedrigen Verlusten und hoher Qualität und Versorgungssicherheit und Zuverlässigkeit sicherzustellen.“

2)    Übertragung der Festlegungen aus dem Regierungsprogramm Baden-Württemberg’s auf andere Bundesländer sowie in die Bundespolitik mit folgendem Inhalt:

- Im Ausbau der Erneuerbaren Energien werden enorme Chancen für eine nachhaltige regionale Wertschöpfung gesehen. Das Ziel ist es deshalb, die Kommunen stärker als bislang auch als Akteure der Energie- und Klimapolitik zu gewinnen

- Stadtwerke sind in den für die Energiewende notwendigen Ausbau der Kapazitäten und in die Neuausrichtung von Klimaschutz und Energiewirtschaft partnerschaftlich einzubinden

- Mit Dezentralisierung der Erzeugung wächst der Bedarf an Innovationen in den Energienetzen (Smart Grid). Baden-Württemberg möchte in diesem Themenfeld in Deutschland eine Vorreiterrolle übernehmen. Ebenso kann Deutschland weltweit eine Vorreiterrolle im Bereich intelligenter Energiesysteme einnehmen und somit den Wirtschaftsstandort mit den Chancen der Transformation des Energiesystems stärken.

3)    Zur Umsetzung des beschriebenen Szenarios einer regionaleren, integrierten und verbundenen Energiewirtschaft zum Erfolg der Energietransformation bedarf es nicht nur des allgemeinen Vorranges an Erneuerbaren Energien, sondern bedarf es einer verstärkten Förderung dezentraler Quellen und keine Vorrangregelung für zentrale Quellen.

4)    Ebenso bedarf es eines gesamtgesellschaftlichen Maßnahmeplanes zur starken Erhöhung von Energieeffizienz mit einem Überwachungssystem zur Messung des Erfolges bei der Effizienzsteigerung in der gesamten energetischen Wertschöpfungskette und nicht nur beim Verbraucher.

5)    Zu befördern ist die Entwicklung regionaler Marktmechanismen und die Unterstützung der Regionalversorger bei der Entwicklung der dezentralen Erzeugung und der Förderung lokaler energiewirtschaftlicher Gesamtkonzepte. Ebenso sind Rahmenbedingungen für die Kommunen zu schaffen, die das Interesse an regionalen energetischen Gesamtentwicklungsplänen stärken, um regionale Energieorganismen in der Verbundenheit mit zentralen Erzeugungs- und Steuerungsmechanismen zu schaffen.

Auf Basis der ökologischen und energiepolitischen Zielstellungen sowie dem damit verbundenen Paradigmenwechsel im Szenario der verteilten Erzeugung und Steuerung des Energiesystems erwachsen die Anforderungen für ein neues Marktdesign sowie ein verbundenes und integriertes Energiesystem. Durch damit verbundene, neue technische Anforderungen wird aber auch ein  intelligentes Energiesystem erforderlich. Politische Maßnahmen müssen den Umgestaltungsprozess zur vollständigen Transformation des Energiesystems fördernd und anleitend in Gang bringen. Besonders sind Infrastrukturprogramme für intelligente Energiesysteme auf den Weg zu bringen, da diese sich im Rahmen des heutigen Marktdesigns nicht ausreichend entwickeln werden.

Dies erfordert insbesondere Maßnahmen für die Kommunen und Regionen sowie auch für die Beteiligung des Bürgers zu ergreifen, um den bestehenden Markt umzubauen. Dies entspricht den europäischen Rahmenbedingungen, die einen kundenzentrierten Ansatz sowie einen sehr offenen wettbewerblichen Markt zum Umbau des Energiesystems anstreben. Ein entsprechendes Umfeld entsteht auch in ersten Landesprogrammen, ist aber insbesondere noch auf der Ebene der Bundespolitik als Priorität festzulegen.

Der Umbau bietet aber Deutschland wie auch ganz Europa bedeutende Chancen bei der Erlangung der Vorreiterrolle auf einem neuen Technologiegebiet und damit in der Sicherstellung der wirtschaftlichen Stärke durch die Konzentration auf einem für die Zukunft der Welt entscheidendem Wirtschaftszweig.