Smart TVs, Smartphones, Smart Homes... Es scheint, dass heutzutage jede Technologie das Wort „smart“ beinhalten muss, um erfolgreich zu sein. Aber was ist mit unseren 50 Jahre alten Energieinfrastruktursystemen? Müssen auch sie „smart“ gemacht werden? In den Medien scheint die einhellige Meinung „ja“ zu sein.

Seit einigen Jahren ist überall von intelligenten Stromnetzen die Rede, den so genannten Smart Grids. Aber was sind eigentlich Smart Grids? Was sind die Risiken und was sind die Vorteile? Und warum sollten sich Entwickler dafür interessieren?

Im Grunde genommen ist ein Smart Grid ein Stromnetz, das mit zahlreichen Sensoren zur Messung der Betriebs- und Energieeffizienz aufgerüstet wurde. All diese Sensoren und Messgeräte werden zusammen mit der Informations- und Kommunikationstechnologie zu einem Hightech-System gebündelt. Dieses System erlaubt einen unterschiedlichen Grad an Automatisierung, elektronischer Energieaufbereitung und Steuerung der Stromerzeugung und -verteilung.

Dadurch lassen sich wiederum große Mengen an Energie einsparen, was nicht nur aus Sicht des Umweltschutzes gut ist, sondern auch für die Lebensqualität derjenigen, die ihre Stromrechnungen senken wollen. Einigen Schätzungen zufolge könnten Verbraucher fast 600 USD pro Haushalt und Jahr einsparen und ihren Energieverbrauch um 5-10 Prozent senken.

Smart Grids sind aber nicht nur ein Thema für Regierungen und Großkonzerne (auch wenn der Begriff erstmals im Energy Independence and Security Act of 2007 definiert wurde). Schon seit zehn Jahren nutzen auch Verbraucher die Möglichkeiten von Smart Grids, indem sie Produkte für ihr Smart Home kaufen, von modernen Thermostaten bis hin zu Photovoltaikanlagen.

Wenn wir Sensoren in unseren Häusern anbringen, die uns auf Energieschwachstellen aufmerksam machen, können wir die Kontrolle im wahrsten Sinne des Wortes wieder selbst in die Hand nehmen und erfahren nicht nur, wie viel wir verbrauchen und ob wir effizienter sein können, sondern auch, was wir in Echtzeit bezahlen. Durch dieses Energiebewusstsein und die „Zwei-Wege“-Kommunikation können Verbraucher und Erzeuger von Strom die Daten und den Verbrauch nachverfolgen und sind somit ein wichtiger Faktor bei der intelligenten Gestaltung unserer Stromnetze.

Anhand der Informationen und Daten, die an den verschiedenen Stellen des Stromnetzes gesammelt werden, kann nun das gesamte System – von der Energieerzeugung bis zum Energieverbrauch – quantifiziert, gemessen, analysiert und optimiert werden. Diese Vorteile sind so signifikant, dass das Energieministerium für den Zeitraum zwischen 2016 und 2026 Investitionen in Höhe von 3,5 Mrd. USD zur Verbesserung der Smart-Grid-Technologie veranschlagt hat. Interessanterweise sind von den 150 größten Anbietern von Smart-Grid-Technologie über 75 Prozent in den USA ansässig.

„Smart Grids sind wichtig, weil sie dazu beitragen, eine zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten und gleichzeitig den Ausstoß von Emissionen zu verringern und die Energieeffizienz zu verbessern“, sagt der Ingenieur Sam Cohen, der auch CEO von Energy Solutions ist. „Das Besondere an ihnen ist ihre Fähigkeit, sich selbst zu optimieren, Probleme zu isolieren, den Strom umzuleiten und die Nachfrage durch dynamische Preisgestaltung zu steuern.“

„Smart Grids bedeuten eine bessere Effizienz, mehr Zuverlässigkeit bei der konstanten Stromversorgung, die Integration erneuerbarer Energien in ein Stromnetz, die Unterstützung von Elektrofahrzeugen und die Optimierung des Stromverbrauchs“, fügt Steven Walker hinzu. Steven ist Netzingenieur und unterstreicht, dass Smart Grids die einzigen Netze sind, die wir künftig haben werden.

Laut den Elektroingenieuren der UC Riverside „kann ein intelligentes Stromnetz dazu beitragen, den Ausstoß von Treibhausgasen um bis zu 211 Millionen Tonnen zu reduzieren und ist wesentlich zuverlässiger als ein herkömmliches Stromnetz“. Zudem lassen sich damit verschiedene erneuerbare Energiequellen wie Wind-, Wasser- und Solarenergie mit anderen, eher traditionellen Energielösungen kombinieren und so die Nutzung dieser erneuerbaren Energiequellen fördern.

Das ist nicht nur gut für unseren Planeten und den Geldbeutel der Menschen, sondern bietet auch einen weiteren Vorteil: Smart-Grid-Systeme sind in der Regel viel robuster und können sich selbst analysieren und selbst regulieren. Einer der größten Vorteile von Smart Grids ist, dass sie selbst bei Ausfällen, Störungen oder sogar Katastrophen die Stromversorgung der Verbraucher durch eine intelligente Stromverteilung auf der Grundlage von Echtzeitdaten weitgehend sicherstellen können.

Denn statt eines Dominoeffekts, bei dem ein Stromausfall zu ausgedehnten Netzausfällen und zu Ausfällen in zahlreichen Systemen führt, und zwar von Verkehrs- über Sicherheits- bis hin zu Heizungssystemen, könnte ein Smart Grid-System den Strom automatisch und sicher dorthin leiten, wo er am dringendsten benötigt wird, und so die Unterbrechungen minimieren. Ein sinnvolles Smart Grid hätte viele der Probleme vermeiden können, die beispielsweise in Texas im Winter 2021 und 2022 oder in New Orleans nach dem Hurrikan Katrina auftraten.

Mit den verschiedenen Sensoren und der Machine-Learning-Technologie, die in einem Smart Grid integriert sind, können Daten kontinuierlich überwacht und analysiert und das Netzverhalten auf der Grundlage von Echtzeit-Erkennung und -Bewertung dynamisch verändert werden.

In weniger dramatischen Situationen können Smart Grids durch Überwachung und automatische Prozesse auch Schwachstellen erkennen und beseitigen. Dadurch werden Verluste im Stromnetz reduziert und die Energieeffizienz verbessert. Trends im Energieverbrauch können leichter verfolgt und transparent gemacht werden (z. B.: Warum benutzen alle ihre Waschmaschine/Trockner am Donnerstagabend um 18 Uhr?), und ein intelligentes Stromnetz könnte sogar Geräte oder Maschinen ausschalten, die zu bestimmten Zeiten nicht in Betrieb sein sollten, was Verbrauchern eine Menge Geld sparen könnte. Smart Grids sind im Grunde die Hightech-Version eines Vaters, der herumgeht und das Licht ausschaltet und den Stecker aus der Steckdose zieht.

Für manche Menschen ist das aber auch ein Nachteil: Sie finden es beängstigend und aufdringlich, dass ein System so viel Kontrolle über viele Dinge in ihrem Haus hat, ganz zu schweigen von der Datenerfassung und den Datenschutzbedenken. Die meisten sehen es jedoch als kleinen Preis für die Energie- und Kosteneinsparungen.

Zu den weiteren Pluspunkten von Smart Grids gehört die Tatsache, dass sie die Zusammenführung und Nutzung von Energie aus erneuerbaren Energiequellen wesentlich erleichtern und die Energiebilanz von großen, zentralisierten Kraftwerken auf ein dezentraleres Modell von Mikronetzen verlagern, das auch kleinere Energiequellen wie Windturbinen, Solarparks und Wasserkraftwerke einbezieht. Diese decken nicht nur den vielseitigen Strombedarf der Menschen, sondern bieten auch Dienstleistungen mit Mehrwert.

Der Einsatz von Smart Grids verhindert außerdem Stromdiebstahl und reduziert Stromverluste bei der Übertragung und Verteilung. Außerdem fallen weniger Wartungskosten an und die Wahrscheinlichkeit eines plötzlichen Ausfalls der Anlagen ist geringer.

Die Kehrseite der Medaille ist, dass der Austausch der analogen Infrastruktur und Ausrüstung kostenintensiv und zeitaufwändig ist. Außerdem fehlt es an Regulierungsnormen für Smart-Grid-Technologien und an einer offiziellen Dokumentation der Installationsverfahren, was zu Unklarheiten und Fragmentierung führen kann. Außerdem verlangt der High-Tech-Charakter von Smart Grids mehr qualifizierte Arbeitskräfte, die unweigerlich mit höheren Kosten verbunden sind. Andererseits schafft das Smart Grid aber auch viele neue Arbeitsplätze, was wiederum ein Vorteil ist.

Die entscheidende Rolle von Entwicklern bei Smart-Grid-Technologien

„Entwicklungsingenieure spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Umsetzung von Smart-Grid-Technologien. Sie müssen über ausgeprägte analytische Fähigkeiten und Problemlösungskompetenz verfügen und Erfahrung mit der Analyse und Auslegung von Energiesystemen haben. Zu den Vorteilen der Arbeit in diesem Bereich gehören die Möglichkeit, die Zukunft der Energieversorgung mitzugestalten, sowie die Aussicht auf ein hohes Einkommen. Zu den Nachteilen gehören lange Arbeitszeiten und komplexe Arbeitsumgebungen“, sagt Cohen.

„Entwickler, die an intelligenten Stromnetzen arbeiten wollen, müssen einige Fähigkeiten wie MATLAB-Programmierung, Stromversorgungsanalyse, Linux, GIS, Ausfallmanagement, Nachfragesteuerung und Infrastrukturmanagement mitbringen", sagt Walker und fügt hinzu, dass sie in diesen Kategorien auch über entsprechendes Wissen verfügen müssen, um ihre Aufgaben fehlerfrei erledigen zu können.

Zudem werden für die Smart-Grid-Technologie verstärkt Sicherheitsexperten benötigt, da die Nutzung jedes vernetzten Systems anfällig für Sicherheitsprobleme wie Malware-Angriffe ist.

Fazit

Trotz der Bedenken der Menschen hinsichtlich der Erfassung und Verwendung ihrer Daten und der Gefahr von Angriffen auf das Smart-Grid-System von außen scheinen die Vorteile der Technologie die Nachteile deutlich zu überwiegen. Und in Zeiten, in denen Energie und Energiekosten in aller Munde sind, kann die Steigerung der Effizienz eines Systems letztlich nur gut sein.