Smart Grids for the Energy Transmission

Article within the current edition of the KIT magazine lookKIT on information at the Karlsruhe Institute of Technology, Edition 4/2016. The text was written in German, an excerpt is available in English at the end of the text.

Wer die Energiewende will, kommt an den Smart Grids nicht vorbei. Eine dezentrale auf erneuerbare Energieträger setzende Energiewirtschaft ist ohne den konsequenten Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien schlicht unmöglich. Aus den breiten Einbahnstraßen der Vergangenheit mit wenigen großen Versorgern müssen komplexe, fein verästelte und vor allem permanent rückgekoppelte Systeme mit vielen ganz neuen Akteuren werden. Diese Vision der Versorgungsnetze der Zukunft verspricht auf mittlere Frist nicht nur eine Senkung der Energiekosten, sondern auch die Schaffung von Arbeitsplätzen und neuen Geschäftsmodellen. Für die angewandte Informatik hat sich damit ein weitläufiges Arbeitsfeld eröffnet. Im Fokus einer sich rasant entwickelnden Energieinformatik steht das programmgesteuerte Lastmanagement über das Internet. Die natürliche Fluktuation der erneuerbaren Energien mit ihren ebenso schnellen wie starken Schwankungen des Angebots ist das Kernproblem, dessen Lösung von der Einführung der Smart Grids erwartet wird. Photovoltaik steht nur zur Verfügung, wenn die Sonne scheint. Man braucht Wind, um Strom aus Windenergie zu erzeugen. Demand Side Management (DSM) als zentrale Funktionalität der Energienetze der Zukunft heißt hier das Zauberwort. Für Professor Hartmut Schmeck vom Institut AIFB, bis Oktober Sprecher des KIT-Zentrums Information · Systeme · Technologien und Direktor am FZI Forschungszentrum Informatik am KIT, setzt dies ein prinzipielles Umdenken im Vergleich zu den Versorgungssystemen der Vergangenheit voraus. Künftig muss der Verbrauch im Minutentakt an das aktuell gegebene Energieangebot angepasst werden. In Spitzenzeiten steigt der Stromverbrauch gegenwärtig bis zu 50 Prozent. Ein funktionierendes digitalisiertes Lastmanagement könnte diese Verbrauchsspitzen deutlich abflachen und zugleich den Verbrauch in Zeiten eines geringen Angebots erneuerbarer Energie senken oder ihn bei einem sehr hohen Angebot entsprechend erhöhen. Das bedeutet allerdings, dass zum ersten Mal seit dem Aufbau der Versorgungsnetze aktiv Flexibilitätspotenziale erzeugt werden müssen: „Wie kann ich Lasten verschieben, Verbrauchsspitzen beseitigen, Leitungsengpässen vorbeugen? Sei es in der Industrie oder im Haushalt. Die Wärmepumpe, der Geschirrspüler, die Produktionsmaschine, die man nicht einfach einschaltet, sondern denen man einen bestimmten Zeitraum vorgibt, innerhalb dessen sie betrieben werden“, so Hartmut Schmeck, „wir müssen uns in die Lage versetzen, solche Freiräume für den Einsatz von energierelevanten Komponenten zu identifizieren und diese dann durch Automatisierung bestmöglich nutzen.“ Gelingt dies, kann man nicht nur stärker auf fossile Energieträger zum Abfangen von Lastspitzen verzichten. Auch die vorhandenen Netzkapazitäten könnten besser genutzt werden, sodass der gesellschaftlich umstrittene Ausbau der Leitungskapazitäten deutlich begrenzt werden könnte.

Eine weitere unverzichtbare Säule der intelligenten Netze der Zukunft wird die Speicherung der Sonnen- und Windenergie sein. Hier ist ein Mix ganz unterschiedlicher Technologien gefragt. Das Stichwort für das intelligente Management der Speicherzyklen lautet „Integrierte Energiesteuerung“. Als Speicher für die überschüssige Energie werden Lithium-Ionen-Batterien dienen. Sie werden nach der Überzeugung der Experten bald zur Normalausstattung eines Haushalts gehören. Die rasch fallenden Batteriepreise machten das möglich. Darüber hinaus wird man aber noch eine ganze Reihe anderer Speichertechnologien sowohl für die kurz- als auch für die längerfristige Speicherung brauchen. Pumpspeicherkraftwerke und die Erzeugung von Dampf beispielsweise eignen sich eher zum kurzfristigen Einsatz, weil die dort gespeicherte Energie bei Bedarf sehr schnell abgerufen werden kann. Die Umwandlung elektrischer Energie in Gas dagegen ist vor allem wegen der hohen Speicherkapazitäten der Gasnetze für eine längerfristige Energiespeicherung geeignet. Für die Smart Grids bedeutet das Management der Speicher eine erhebliche Zunahme der Komplexität. Ganz unterschiedliche Steuerungskreise überlagern sich: Der Kreislauf des Lastmanagements, in dem Versorgung und Nachfrage ausgeglichen werden, die Steuerung der Speicherung von Strom in den unterschiedlichen zur Verfügung stehenden Speichern bzw. das Abrufen von Energie aus diesen

Speichern und die Zuweisung der dafür notwendigen Netzkapazitäten. Schließlich kommt noch ein marktwirtschaftlicher Steuerungskreis hinzu, der mit seinen Preissignalen das Lastmanagement erst möglich macht. Denn es muss einen Anreiz für die Verbraucher geben, sich an der Verschiebung der Lasten zu beteiligen. Wird das alles miteinander verbunden, entsteht eine hochkomplexe kybernetische Aufgabe. Hartmut Schmeck verweist in diesem Zusammenhang auf das Helmholtz-Forschungsprogramm „Energiespeicher und vernetzte Infrastrukturen“ als zentralen Beitrag auf dem Weg zur Lösung der Probleme, die sich aus der notwendigen Integration der Speicherzyklen in das Lastmanagement der Versorgungsnetze ergeben. „Wir brauchen ein Energie-, Informations- und Regelungsnetz mit verteilter Systemintelligenz“, so der Wissenschaftler vom Institut für Angewandte Informatik und Formale Beschreibungsverfahren. „Hinter diesem Begriff steckt die Einsicht, dass eine zentrale Speicherung und Verarbeitung aller Daten zum aktuellen Geschehen im Netz nicht notwendigerweise die ideale Lösung darstellt. Es gibt viele Situationen, in denen eine Datenverarbeitung vor Ort ausreicht, um Entscheidungen zu treffen, wie ich auf die aktuelle Situation im Energienetz reagiere. Möglicherweise erziele ich so nicht immer ein globales Optimum. Aber es kommt vor allem darauf an, dass im Netz insgesamt Stabilität erreicht wird. Das bedeutet, mit den Smart Grids gewinnen die Verteilnetze gegenüber den Übertragungsnetzen eine ganz neue Bedeutung. Die sehr zentralistische Top-down-Struktur der alten Versorgungsnetze wird durch zum Teil autonom agierende dezentrale Systeme ersetzt. Die große Herausforderung der Energieinformatik besteht darin, die bisher vor allem durch die großen Übertragungsnetzbetreiber garantierte Stabilität des Gesamtsystems dadurch nicht zu gefährden.

Ähnlich wie bei der Verlagerung der Telefonie vom Festnetz auf die Mobiltelefone fördert die dezentrale Energieerzeugung und ihre Steuerung durch die Smart Grids auch in der Energiewirtschaft die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle. Hausbesitzer können beispielsweise die Kapazitäten ihrer Photovoltaikanlagen im „Internet der Energie“ zu konkurrenzfähigen virtuellen Kraftwerken zusammenschließen. Auf diese Weise lässt sich überschüssige Energie über das Netz verkaufen. Angebot und Nachfrage werden so im Energiemarkt stärker als bisher zur Preisbildung beitragen. Tendenziell könnte das langfristig die Senkung der Energiekosten zur Folge haben. Vergleichbares gilt für Speicherkapazitäten, die vor Ort vorhanden sind und gegen Entgelte zur Verfügung gestellt werden können. Professor Schmeck warnt allerdings davor, eine Entwicklung wie auf dem Telekommunikationsmarkt zuzulassen. Die Energieversorgung ist eine sehr viel kritischere Infrastruktur als die Telefonie: „Deshalb muss der Energiemarkt auch stärker staatlich reglementiert werden. So muss beispielsweise eine Überprüfung des einzelnen Anbieters auf seine Lieferfähigkeit möglich sein. Ist er in der Lage, auch zu liefern, was er anbietet? Dafür gibt es die sogenannte Präqualifizierung, eine Eignungsprüfung im Vorfeld, bei der man die technischen Möglichkeiten nachweisen muss. Diese muss an die sich verändernde Erzeugerstruktur im Energiesektor angepasst werden.“ Angesichts des hohen Grades der Integration des europäischen Strommarktes versteht es sich, dass solche Regeln auch grenzüberschreitende Geltung besitzen müssen.

Eine umfassende Information der Verbraucher über den eigenen Energieverbrauch und die Versorgungssituation im Netz ist Voraussetzung für das Gelingen des Lastmanagements in den intelligenten Energienetzen. Die Smart Meter, die intelligenten Stromzähler, sind die erste Stufe der Digitalisierung der Energieversorgung. Neben dem Verbrauchsmonitoring und der Übermittlung von Preissignalen als Anreiz für eine zeitliche Verschiebung der Last müssen sie dem Stromkunden auch die Möglichkeiten der Steuerung des eigenen Verbrauchs geben. In den Smart Metern und ergänzenden Energiemanagementsystemen werden in den digitalisierten Stromnetzen alle für die Verbraucher relevanten Informationen abrufbar sein. Dazu gehören neben den Daten über die aktuelle Situation auch die Speicherung der Verbrauchsdaten der Vergangenheit und Prognosen über die zu erwartende Entwicklung in der näheren Zukunft. Auch Informationen über die zur Verfügung stehenden Netzkapazitäten sowie die mögliche Notwendigkeit, überschüssige Energie zu speichern oder aus vorhandenen Speichern abzurufen, müs-sen hier kommuniziert und verarbeitet werden. Im Rahmen der Projekte „MeRegioMobil“ und „intelligent Zero Emission Urban System“ (iZEUS) wurde auf dem Campus Süd des KIT für das „Energy Smart Home Lab“ ein „Energy Management Panel“ (EMP) als Modell einer solchen Schnittstelle entwickelt. Hartmut Schmeck ist überzeugt, dass eine leicht verständliche Visualisierung der angebotenen Informationen entscheidend ist, will man die Akzeptanz bei den Verbrauchern erhöhen. „Die Nutzungsschnittstellen müssen so gut gestaltet sein, dass jeder − die Bewohner eines privaten Haushalts wie der Ingenieur, der irgendeinen industriellen Prozess steuert – möglichst intuitiv die Möglichkeiten und Vorteile einer zeitlichen Vers

chiebung des Verbrauchs erkennen kann. Die Programmierung des individuellen Lastmanagements sollte dann ohne großen Zeitaufwand möglich sein. Dem Verbraucher muss zugleich die Möglichkeit einer weitgehenden Automatisierung nach einmal eingegebenen Präferenzen angeboten werden. Ziel ist die Herstellung eines sogenannten Energiefahrplans, in dem Verbrauch, Erzeugung und Netzkapazität in optimaler Weise aufeinander abgestimmt werden.“

Neben der Schnittstellen- und Netzwerkproblematik muss sich die Energieinformatik intensiv mit der Sicherheitsproblematik in den intelligenten Energienetzen auseinandersetzen. Viele Verbraucher fürchten, dass über die Smart Meter eine Vielzahl von Daten aus der Privatsphäre abgegriffen und auf unterschiedlichste Weise missbraucht werden können. Auch hier hat die am KIT favorisierte dezentrale Systemarchitektur große Vorteile.

Hartmut Schmeck zählt auf die damit gegebene Möglichkeit, den Umfang der nach draußen gegebenen Daten durch sogenannte „in-house Aggregierung“ zu reduzieren: „Grundsätzlich hängt die Frage, wie viele Daten ich aus einem Haus brauche, auch mit der Frage zusammen, was kann im Haus selbst entschieden, und was muss außerhalb entschieden werden. Ein Energieversorger braucht bei einem zeitvariablen Stromtarif nicht alle Informationen, zu welchem Zeitpunkt die Endkundschaft welche Energie verbraucht hat. Das kann man auch anders machen. Die zu einem Zeitpunkt gültigen Stromtarife sind ja auch an der Verbrauchsstelle verfügbar. Man kann die Berechnung also auch innerhalb des Hauses vornehmen und lokal speichern. Dann wird nur die Endsumme an den Versorger weitergegeben.“

Natürlich lässt sich in den intelligenten Netzen die Weitergabe von privaten Daten nicht völlig vermeiden. Schließlich beziehen die Smart Grids ihre Intelligenz ja gerade aus der Verarbeitung unterschiedlichster Informationen. Für Hartmut Schmeck sollten deshalb die gesetzlichen Regelungen des Datenschutzes auch in diesem Bereich konsequent angewandt werden: „Vertragliche Regelungen zwischen den Endkunden und den Versorgern über die Datennutzung müssen Sicherheit schaffen. Die Verbraucher müssen immer in der Lage sein, selbst zu bestimmen, in welchem Umfang sie welche Daten wem zur Verfügung stellen.“

Auch die Möglichkeit eines Cyber-Angriffs auf die Versorgungsnetze selbst muss den Energieinformatikern Sorgen bereiten. Die intelligenten Stromzähler sind potentielle Schwachstellen, die für eine Destabilisierung der gesamten Stromversorgung genutzt werden können. Das kann nur durch die Einführung eines geeigneten Sicherheitsstandards für diese Knotenpunkte in der kritischen Infrastruktur der Energienetze verhindert werden. Aber der beste Standard ist nutzlos, wenn er von den Verbrauchern nicht genutzt wird. Nicht selten wird etwa der Passwortschutz durch die Weiterverwendung der Werkseinstellungen unterlaufen. Das kann bei einer Informatikerin und einem Informatiker natürlich nur auf völliges Unverständnis stoßen. Hartmut Schmeck hofft dennoch auf einen allmählichen Mentalitätswandel. Und es wird auch an technischen Möglichkeiten gearbeitet, solche Sicherheitslücken aufzuspüren. „Wenn dann wirklich festgestellt wird, dass man von außen auf ein Gerät zugreifen kann, muss es die Möglichkeit geben, den entsprechenden Netzteilnehmer zu warnen und ihm auf eine verständliche Weise erklären zu können, wie er die Sicherheitslücke schließen kann.“

Eine aktuell in diesem Zusammenhang heftig diskutierte Frage ist auch, ob man wirklich das Internet für die Smart Grids nutzen sollte, oder ob es unter dem Aspekt der Sicherheit nicht besser wäre, eine auch physisch getrennte Kommunikationsstruktur zwischen den Betreibern der Übertragungs- und Verteilnetze und der Endkundschaft aufzubauen. Das würde die Kosten für die intelligenten Versorgungsnetze erheblich in die Höhe treiben. Die Stadtwerke Karlsruhe beispielsweise kommunizieren mit ihren intelligenten Zählern deshalb über eine speziell dafür entwickelte, drahtlose Kommunikationstechnologie. Allerdings ist drahtlose Kommunikation grundsätzlich störungsanfälliger als kabelgebundene. Hartmut Schmeck plädiert für ein virtuell getrenntes Netz innerhalb des Internet: „Wir wissen als Informatiker, dass man immer mit Störfällen und Angriffen rechnen muss. Unabhängig davon, wer das Netz betreibt. Dagegen muss man sich auf geeignete Weise schützen. Das geht auch in einem öffentlichen Netz wie dem Internet. Auch dort kann man Angriffe abwehren. Das kann mit einem sogenannten ,Overlay‘ über das öffentliche Netz geschehen, in dem man dann sicher kommunizieren kann.“

Hartmut Schmeck ist eher skeptisch, ob die rein finanziellen Anreize des digitalen Lastmanagements für die Verbraucher ausreichen werden, um eine rasche Verbreitung der Smart Meter zu ermöglichen. Seine Hoffnung stützt sich vielmehr auf Zusatzdienstleistungen, die durch diese Technologien erst möglich werden. So sind bereits eine Reihe von Dienstleistern auf dem Markt, die Firmen, Hotels, Supermärkten und Privathaushalten die Übernahme des gesamten Energiemanagements anbieten und dafür eine Beteiligung an der Ersparnis erhalten. Die Stadtwerke Karlsruhe beispielsweise beteiligen sich an der Installation privater Photovoltaikanlagen, übernehmen das Energiemanagement und sind dann am Gewinn durch den Verkauf überschüssiger Energie beteiligt. „Diese Dinge sind in Entwicklung und auch wir haben ein solches automatisiertes Energiemanagementsystem entwickelt, das ,Organic Smart Home‘. KIT und FZI kooperieren mit den Unternehmen, die diese Dinge zur Marktreife bringen. Es wird sicher kein abrupter Übergang sein. Die intelligenten Netze werden sich dynamisch entwickeln. Sukzessive werden immer mehr Möglichkeiten zur Überwachung und zur Steuerung des Verbrauchs Eingang in Produktionsstätten und Privathaushalte finden.“ Der Zeithorizont 2050 ist für Hartmut Schmeck entscheidend für die Umsetzung der Smart Grids, „weil dann 80 Prozent der Energie aus erneuerbaren Quellen stammen soll. Da brauchen wir diese intelligenten Systeme. Wir brauchen die Integration der Speichersysteme und die dezentrale Energieerzeugung. Unter Umständen kommt das schon früher. Da wird sich manches durch den Markt ergeben. Mit hoher Wahrscheinlichkeit werden wir bereits im Jahr 2030 unseren Energieverbrauch in einem erheblichen Umfang intelligent steuern.“

Kontakt: hartmut schmeck ∂does-not-exist.kit edu

Excerpt in English

Smart Grids for the Energy Transmission

KIT computer scientists work on program-controlled load management for reliable supply grids

Translation: Maike Schröder

Introduction of smart grids led to the establishment of energy informatics as a new field of research. Professor Hartmut Schmeck, former spokesperson of the KIT Information · Systems · Technologies Center, thinks that quite a few of the problems encountered in this field are currently unsolved. Important research and development tasks include safeguarding security of critical infrastructures controlled via the Internet and protecting privacy when transmitting utilization data by smart meters. In particular, interaction between decentralized power generation and storage of renewable energies, also referred to as integrated energy management, represents a highly complex control task with a number of superimposed control loops. Contrary to the old one-dimensional supply grids, future distribution grids will have to balance supply and demand by market-based price signals, optimally using existing transmission capacities, and considering a variety of long- or short-term storage options. This bottom-up approach of “energy, information, and control grids with distributed system intelligence,” in which as many decisions as possible are made locally on a decentralized level, eventually will have to be integrated into the overarching, border-crossing, and maybe even trans-continental architecture of big transmission grids without adversely affecting the stability of the whole system.

Contact: hartmut schmeck ∂does-not-exist.kit edu