Selbstorganisation im Stromnetz: Intelligente Stromzähler könnten das Stromnetz der Zukunft selbständig an das schwankende Angebot aus erneuerbaren Energien anpassen. Eine zentrale Kontrollstelle ist unnötig, wie ein Computermodell deutscher Wissenschaftler zeigt. Stattdessen wäre ein dezentral organisiertes, intelligentes Stromnetz deutlich sicherer und darüber hinaus viel billiger, urteilen die Physiker.
Der Ausbau von Solarenergie und Windkraft schreitet in Deutschland voran: Seit Anfang 2014 decken erneuerbare Energien einen Rekordwert von 28 Prozent des deutschen Stromverbrauchs. Allerdings wächst damit auch ein Problem: Das Stromnetz muss mit größeren Schwankungen fertig werden. Denn schiebt sich eine Wolkenfront über Süddeutschland, liefern die Photovoltaikanlagen plötzlich weniger Strom. Und wenn ein Sturm aufzieht, erhöht sich schlagartig die Stromproduktion in den Windparks und schwankt noch stärker als ohnehin schon.
Ein intelligentes Stromnetz oder „Smart Grid“ soll solche verstärkten Schwankungen abpuffern können. Sogenannte „Smart-Meter“, intelligente Stromzähler, sollen dazu den Verbrauch abhängig vom Angebot regeln und Elektrogeräte im Haus entsprechend an- und abschalten. Liefern Wind und Sonne viel Energie, sollen zum Beispiel Kühlaggregate in Rechenzentren und Lagerhäusern, Kühlschränke daheim oder Ladegeräte für Elektroautos hochgefahren werden. Herrscht Flaute, sollen sie vorübergehend in den Ruhezustand gehen.
Sicherheitsrisiken bei zentraler Steuerung
Bisherige Konzepte eines intelligenten Stromnetzes gehen davon aus, dass die Daten aller Verbraucher und Erzeuger zentral an den Energieversorger gehen. Dieser steuert dann bei Bedarf den gemessenen Schwankungen entgegen. Doch das birgt Risiken: „Eine solche zentrale Steuerung ist ein potenzielles Angriffsziel für Hacker“, warnt Benjamin Schäfer vom Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation.
Breche jemand über das Internet in die Steuerzentrale ein, könne er im schlimmsten Fall das Versorgungsnetz lahmlegen. „Ungeklärt ist bisher außerdem, wie der Datenschutz gewährleistet werden soll, wenn ständig Verbrauchsdaten der Kunden an eine zentrale Stelle übermittelt werden“, so der Physiker.
Schäfer und seine Kollegen haben darum untersucht, ob eine zentrale Steuerung des smarten Stromnetzes überhaupt sein muss. Könnten nicht die intelligenten Stromzähler vor Ort direkt die Versorgung und den Verbrauch aufeinander abstimmen, ohne den Umweg über eine Zentrale beim großen Energieversorger zu gehen? Der Vorteil einer solchen dezentralen Steuerung wäre gewaltig: Jenseits der Sicherheitsaspekte entfiele auch der Aufbau einer Kommunikationsinfrastruktur, die ansonsten künftig Millionen von Smart-Metern mit den Energieversorgern verbinden müsste.
Intelligentes Netz hält sich selbst stabil
Die Physiker entwickelten ein mathematisches Modell, in dem sie die Stromerzeuger und Verbraucher simulierten. Die entscheidende Größe darin ist die sogenannte Netzfrequenz, mit der Wechselstrom im Versorgungsnetz schwingt. Sie beträgt 50 Hertz und darf durch Schwankungen im Netz höchstens um 0,2 Hertz von diesem Wert abweichen. Sinkt die Versorgung oder steigt der Bedarf, so fällt auch die Frequenz ab.
Liefert dagegen beispielsweise die Sonne wieder mehr Strom, oder gehen große elektrische Verbraucher wie etwa Industrieanlagen vorübergehend vom Netz, steigt die Netzfrequenz wieder an. Diese Schwankungen sind es, die der Netzbetreiber aktiv ausgleichen muss. Einem dezentral gesteuerten Netz fehlt diese aktive Kontrolle – kann sich ein solches Netz also selbst organisieren und stabil halten? Dem Modell der Physiker zufolge gelingt das, wenn die Smart-Meter direkt reagieren.
Die Stromsteuergeräte sind also durchaus in der Lage, Frequenzänderungen als Messgröße zu nutzen und den Stromverbrauch der angeschlossenen Elektrogeräte selbst zu steuern. „Bislang gab es kaum eine Studie, die im Detail analysiert hat, ob ein Smart-Grid ohne zentrale Steuerung überhaupt funktionieren kann“, fasst Studienleiter Marc Timme zusammen. „Unsere Analyse hat nun erstmals gezeigt, dass das prinzipiell möglich ist.“
Schnelle Reaktionen sind nicht nötig
Eine besondere Herausforderung entsteht bei kurzfristigen Frequenzänderungen, die mitunter innerhalb von Millisekunden auftreten. Viele Geräte können so schnell nicht reagieren: Ein Kühlschrank etwa reagiert verzögert, wenn zunächst der Kompressor an- oder abgestellt werden muss. Der Router, der in einem zukünftigen Netz die elektrischen Geräte im Haus steuern soll, benötigt Rechenzeit, bevor er reagiert.
Erfreulicherweise müssen die Smart-Meter auf solche schnellen Schwankungen aber gar nicht sofort reagieren: Oftmals balancieren diese sich innerhalb weniger Sekunden von selbst aus. Bei größeren Schwankungen wiederum ist eine solche Verzögerung sogar sinnvoll. So ist es ideal, wenn die Smart-Meter die Frequenzwerte zunächst über einige Sekunden mitteln und dann regulierend eingreifen und den Verbrauch entsprechend anpassen.
(Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V., 28.01.2015 – AKR)
