Im Vergleich zum gesamten Energiesystem in Deutschland sind einzelne Smart-Home-Eigentümer*innen der Zeit voraus: Für immer mehr von ihnen ist es selbstverständlich, dass sich ihr Stromverbrauch intelligent und automatisiert an den Stromertrag der eigenen Photovoltaikanlage auf dem Dach anpasst. Immer dann, wenn diese Grünstrom liefert, »tankt« das Elektroauto in der Garage seine Batterien auf, wird das Warmwasser auf Temperatur gebracht, springt die Wärmepumpenheizung oder die Gebäudeklimatisierung an, startet die Waschmaschine oder der Wäschetrockner…

Was im Einzelhaushalt funktioniert, müsste doch auch in größerem Rahmen möglich sein: Dass zeitlich flexible Stromverbraucher gezielt dann Strom aus dem Netz beziehen, wenn die erneuerbaren Erzeugungsanlagen wie Photovoltaik- und Windparks besonders viel Strom produzieren – intelligent gesteuert vom örtlichen Verteilnetz der Niederspannung über das regionale Mittelspannungsnetz bis zur Ebene des europäischen Verbundnetzes. Allerdings lässt sich das Smart-Home-System dafür nicht einfach hochskalieren. Denn nur im Eigenheim liegen Eigenstromerzeugung und Stromverbrauch in einer Hand. Am Stromnetz als Ganzes dagegen sind viele Millionen Akteure gleichzeitig beteiligt – vom Großkraftwerk bis zur privaten PV-Anlage, jedes Unternehmen und jeder Haushalt sowie Netzbetreiber und Energieversorgungsunternehmen. Letztere beiden haben zudem wichtige Aufgaben zu erfüllen, um die Stromversorgung trotz aller Volatilität flächendeckend und jederzeit zu gewährleisten. Ideen umzusetzen, mit denen Stromverbrauch und die tageszeit- und witterungsabhängig erheblich schwankende Erzeugungsleistung von Windkraft und Photovoltaikanlagen besser miteinander in Einklang gebracht werden können entwickeln sich damit zu einem hochkomplexen Vorhaben.

Denken im größeren Zusammenhängen

Das allerdings darf kein Grund sein, darauf zu verzichten. So jedenfalls sieht es Immanuel Hacker vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT. Er sagt: »Die Flexibilisierung des Strombedarfs ist ein grundlegendes Element für ein zukunftssicheres Energiesystems. Sie ermöglicht nicht nur, das Potenzial der Stromproduktion aus Sonne und Wind in weit größerem Umfang als bisher zu nutzen. Sie ist auch ein wichtiger Enabler, um die Infrastrukturen der Netze effizienter zu nutzen und die Versorgungsicherheit trotz der Volatilität der erneuerbaren Stromerzeugung gewährleisten zu können«. Zentrale Voraussetzung dafür aber sei eine Vernetzungsinfrastruktur, über die alle relevanten Informationen zu Erzeugung und Strombedarf sicher ausgetauscht und bestehende Flexibilitäten markt- und netzdienlich gesteuert werden können.

Ermöglichen soll dies das »Flexibilitätsdatenregister für Strommärkte der Energiewende«, das derzeit im Rahmen des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (vormals BMWi) geförderten Projekt »FlexHub« entwickelt und erprobt wird. Neben dem Fraunhofer FIT beteiligen sich an dem Projekt das Fraunhofer-Institut für Kommunikation, Informationsverarbeitung und Ergonomie FKIE, die Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW), die Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen (RWTH) sowie die Mitteldeutsche Netzgesellschaft Strom mbH (MITNETZ) und die Kiwigrid GmbH.

Offener Flexibilitätsmarkt für alle

Basis des Flexibilitätsregisters ist eine IoT- Plattform, an die sowohl die Haushalte und Unternehmen als Stromabnehmer als auch die Stromerzeugungsanlagen als Energielieferanten über eine Kommunikations- und Steuerungseinrichtung angebunden werden. Über einen Online-Zugriff auf die Plattform können die Haushalte und Unternehmen dann ihre individuelle Flexibilitätsbereitschaft anbieten und den Preis angeben, den sie dafür erwarten. »Die Daten der Verbraucher und Erzeugungsanlagen werden dabei unabhängig von den Spezifikationen der Einzelanlage in ein einheitliches, vergleichbares Format gebracht«, sagt Hacker. So entstehe ein neuartiger Flexibilitätsmarktplatz, über den Energieversorgungsunternehmen, Netzbetreiber und private Stromkund*innen einfach und direkt miteinander kooperieren.

Durch Parallelforschung zur Best-Practice-Lösung

In Bezug auf Zuverlässigkeit, Sicherheit und Datenschutz muss das Flexibilitätsdatenregister allerdings hohe Anforderungen erfüllen. Und es muss sich nahtlos in die bestehenden Netzinfrastruktur eingliedern lassen. »All diese Anforderungen umzusetzen, ist nicht nur technisch und konzeptionell anspruchsvoll, es gibt auch eine Vielzahl von verschiedenartigen Bausteinen, die wir aufeinander anpassen müssen, um zu einem möglichst leistungsfähigen Ergebnis zu kommen «, betont Hacker. Dies gelte nicht nur für die rein energietechnische Ebene, also das Erfassen von Netzzuständen und Messwerten von den Erzeugungsanlagen und den einzelnen Verbrauchern. Mit einbezogen werden muss auch die Kommunikationsebene, über die die vorhandenen Flexibilitäten sowie die organisatorischen und vertraglichen Beziehungen zwischen den beteiligten Akteuren geregelt werden.

Intelligente Netzsteuerung im Feldtest

Im Rahmen des Projekts erproben die Forscher*innen deshalb mehrere Ansätze: MITNETZ und Kiwigrid entwickelten beispielsweise eine bestehendes Softwaresystem für Energiemanagement weiter und setzen dieses in einem Feldversuch im realen Stromnetz ein. MITNETZ-Kund*innen, die ein Elektrofahrzeug besitzen, wurden dafür mit einer entsprechenden Kommunikations- und Steuerungseinrichtung ausgestattet. In einer App können sie Zeitfenster angeben, in denen ihr E-Autos geladen werden soll sowie die Höhe der Prämie, die sie für ihre Flexibilitätsbereitschaft erwarten. Der Stromversorger kann diese variabel zu erfüllenden Ladeaufträge dann nutzen, um Engpässe und Lastspitzen durch gleichzeitiges Laden vieler Elektrofahrzeuge in einem Netzabschnitt zu vermeiden. »Mit dem Feldversuch können wir vor allem ein direktes Feedback von den Nutzer*innen erhalten. Wir gewinnen daraus wichtige Erkenntnisse zur Gestaltung der Interaktion mit dem System oder auch dazu, durch welche Anreize Stromverbraucher*innen am besten dazu motiviert werden können, mögliche Verbrauchsflexibilitäten zur Verfügung zu stellen, um das Energiesystem effizienter und sicherer zu machen«, berichtet Hacker.

Härtetests durch Koppelung von real mit virtuell

Parallel dazu haben Hacker und Kolleg*innen gemeinsam mit Forscher*innen der RWTH Aachen im SmartGrid Labor eine hybride Netzumgebung eingerichtet. Sie umfasst zum einen den realen Aufbau eines lokalen Stromnetzabschnittes mit Leitungen und Netzstation, Umrichter und Stromeinspeisung sowie Stromabnehmern wie einer Wallbox mit Elektrofahrzeug. Direkt damit verbunden ist aber auch ein leistungsfähiges Rechnersystem, auf dem die Forscher*innen auch Netzstrukturen mit vielen Einspeisungsanlagen und Smart Homes simulieren können. »Diese Kombination aus einem funktionsfähigen Netz in Laborumgebung und der Computersimulation ermöglich uns, das Zusammenspiel und Verhalten der realen Netzkomponenten unter unterschiedlichsten Bedingungen testen und beurteilen zu können«, erklärt Hacker. Unter anderem haben die Forscher*innen hier auch das Flexibilitätsdatenregister installiert und können so nun Szenarien erproben, die im realen Netzbetrieb nicht möglich sind, die zum Beispiel schnell zu einem Ausfällen im Stromnetzes führen könnten. Ob die Ansteuerung der vielen flexiblen Abnahmestellenehmer bei einer drohenden Netzüberlastung zum Beispiel in der Summe schnell genug reagiert. Oder ob das System robust genug abgesichert ist, um einen Sabotageversuch durch einen Hackerangriff rechtzeitig zu erkennen und dessen Folgen zu verhindern oder zumindest zu minimieren. »Im echten Stromnetz können und dürfen wir weder eine IT-Manipulation noch einen Ausfall der Stromversorgung riskieren – in unserer hybriden Netzumgebung dagegen ist das kein Problem und keine Gefahr«, sagt Hacker.

Im SmartGrid Labor haben die Forscher*innen eine hybride Netzumgebung aufgebaut, in der sie das Zusammenspiel zwischen realen Netzkomponenten und simulierten Einspeisungsanlagen und Smart Homes eingehend testen und beurteilen können. Bild: Martin Braun | Fraunhofer FIT

Neueste Security- und Softwaretechnologien nutzen

In der hybriden Netzumgebung arbeiten die Forscher*innen zusätzlich noch mit einer zweiten Version eines Flexibilitätsdatenregisters. Das ist allerdings keine Weiterentwicklung eines bestehenden Systems, sondern eine umfassende Neuentwicklung. »Weil wir nicht auf Bestehendem aufbauen, sondern von Grund auf neu entwickeln haben wir die Möglichkeit, neuesten Softwaretechnologien zu integrieren und verschiedene alternative Konzepte zu überprüfen, um zu entscheidenden Erkenntnissen zu gelangen«, sagt Hacker. Dazu gehören zum Beispiel Antworten auf die Frage, welche Sicherheitsvorteile ein verteiltes Flexibilitätsdatenregister bieten kann. Oder wie sich dabei eine vergleichbar hohe Kommunikations- und Steuerungsleistung erzielen lässt, wie das mit einem zentral organisierten System der Fall ist. Bei allen Aufgaben, die die Sicherheitsarchitektur des Systems betreffen, arbeitet das Team mit Security-Expert*innen des Fraunhofer FKIE zusammen. Gemeinsam erproben sie unter anderem neue Möglichkeiten zum Daten- und Angriffsschutz wie eine Blockchain-basierte Absicherung.

Übrigens: Zur Anbindung von Unternehmen und Haushalten an das Flexibilitätsdatenregister ist keine neue Kommunikationsschnittstelle notwendig. Die Forscher*innen haben das System so konzipiert, dass es über die deutschlandweit geplante Smart Meter-Infrastruktur betrieben werden kann. Mit dem bereits angelaufenen Rollout der intelligenten Strommesseinrichtungen wird also bereits die technische Voraussetzung geschaffen, um die intelligente Verzahnung von regenerativer Stromerzeugung und dem Stromverbrauch mittels eines Flexibilitätsdatenregisters auch über das Smart Home hinaus zu realisieren.

(stw)