Wie die Stromnetze der Zukunft aussehen könnten, wird am „Institut für Elektrische Anlagen und Netze, Digitalisierung und Energiewirtschaft" (IAEW) der RWTH Aachen erforscht. „Unser Fokus liegt darauf, Verteilnetze als das Rückgrat der Energiewende weiterzuentwickeln – datenbasiert, modellgestützt und immer mit Blick auf die praktische Umsetzbarkeit im Netzbetrieb“, sagt Franziska Tischbein, Oberingenieurin Aktive Energieverteilnetze am IAEW.
Vom zentralen zum dezentralen Energiesystem
Das bestehende Netz ist vielerorts noch darauf ausgelegt, dass der Strom in zentralen Großkraftwerken produziert wird. Doch heutzutage speisen zahlreiche größere und kleinere Anlagen Strom aus regenerativen Quellen in das Netz ein – dezentral und wetterabhängig. Die fortschreitende Energiewende mit ihrer vermehrt dezentralen Energieerzeugung ist eine Herausforderung für die Stromnetze und damit vor allem für die Verteilnetzbetreiber. „Die enge Zusammenarbeit mit Verteilnetzbetreibern ist für uns ein zentraler Punkt. Nur so können wir sicherstellen, dass unsere Ansätze nicht nur theoretisch funktionieren, sondern auch im realen Netzbetrieb anwendbar sind“, so Tischbein.
Praxisnahe Forschung
Ein typischer Versuchsablauf am IAEW beginnt mit einem kleinen Niederspannungsnetz, das reale Strukturen eines Wohngebiets nachbildet. „An einzelnen Knoten speisen regelbare Spannungsquellen das Netz, die beispielsweise ein Ortsnetztransformator oder dezentrale Einspeiser wie Photovoltaikanlagen simulieren“, erklärt Tischbein. Dabei bilden die angeschlossenen Verbraucher typische Haushaltslasten nach, wie etwa Elektroautos, Wärmepumpen und klassische Haushaltsgeräte. „Deren Leistungsaufnahme verändert sich über den Tag hinweg, sodass realistische Lastspitzen und gleichzeitige Einspeisungen entstehen“, so die Ingenieurin.
Simulation realer Netze im Labor
Während des simulierten Betriebs werden kontinuierlich Spannungen, Ströme und Auslastungen der Leitungen beobachtet. „Treten an bestimmten Stellen Überlastungen oder kritische Spannungsabweichungen auf, werden unterschiedliche Regelungsalgorithmen aktiviert“, so Tischbein. „Diese greifen beispielsweise in die Ladeleistung von Elektroautos ein, verschieben Wärmepumpenbetrieb oder begrenzen die Einspeisung einzelner Anlagen.“ Die Verfahren werden direkt im Netz getestet und ihr Einfluss auf die Belastung und Spannungsqualität verglichen. „So lässt sich beobachten, welche Strategien Überlastungen vermeiden und den Netzbetrieb stabil halten.“
Vernetzung durch Digitalisierung
Oberstes Ziel der Forschung ist die Netzstabilität und diese erfordert die Überwachung des Netzzustandes in Echtzeit. Es geht aber auch um neue Betriebs- und Planungsansätze und die Integration von Gleichstromtechnik. Zudem werden Gas- und Wärmenetze in den Forschungen ganzheitlich und energieträgerübergreifend mitgedacht. Das alles ist nur durch Digitalisierung und der damit verbundenen Möglichkeit der Vernetzung der Informationen möglich.
Nachbildung einer Stromschaltstelle
Bei den Energieversorgern wird das Stromnetz in einer Zentrale, der sogenannten Leitwarte, überwacht. Eine solche Stromschaltstelle steht auch den Forscherinnen und Forschern des IAEW zur Verfügung. Der Raum im ersten Stock des Gebäudes ist mit einer riesigen Videowand und zahlreichen Computern ausgestattet. Hier können unterschiedliche Szenarien untersucht und simuliert werden. „Unsere Leitwarte ist wie eine echte Netzleitstelle aufgebaut“, erklärt Tischbein. „Auf der Videowand sehen wir das gesamte Netz, an den Arbeitsplätzen laufen die Messdaten zusammen, und über die Systeme können wir gezielt in einzelne Anlagen eingreifen. So lassen sich Szenarien Schritt für Schritt aufbauen, unterschiedliche Leitwartensysteme testen und der Netzbetrieb realitätsnah nachbilden.“ Die zugrunde liegenden Berechnungen erfolgen auf leistungsfähiger IT-Infrastruktur, die umfangreiche Simulationen sowie Methoden des maschinellen Lernens und der mathematischen Optimierung ermöglicht.
IT-Sicherheit wichtiger Aspekt
Ein weiterer zentraler Aspekt der Forschung ist die IT-Sicherheit, da die zunehmende Digitalisierung und Vernetzung von Energiesystemen einen zuverlässigen Schutz gegenüber potenziellen Cyberangriffen erfordert. Die Arbeit an der RWTH Aachen hat für Tischbein eine ganz klare Ausrichtung: „Forschung ist für uns dann erfolgreich, wenn sie im Netzbetrieb funktioniert und einen echten Mehrwert schafft. Deshalb betrachten wir die Digitalisierung immer zusammen mit der IT-Sicherheit.“ Je stärker Anlagen, Messsysteme und Leitwarten miteinander vernetzt sind, desto wichtiger ist es, Kommunikationswege abzusichern, Zugriffe zu kontrollieren und Systeme auch unter Störungen stabil zu halten. „Wir untersuchen daher nicht nur neue Betriebsstrategien, sondern auch, wie sie sicher implementiert werden können“
Politische Rahmenbedingungen
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des IAEW erforschen in Zusammenarbeit mit den Netzbetreibern, wie das bestehende Stromnetz weiterentwickelt und zukünftig mit modernster Technik gemanagt werden kann. Damit der Ausbau der Stromnetze und der Erneuerbaren Energien zukünftig besser gesteuert werden kann, hat Bundeswirtschaftsministerin Katherina Reiche (CDU) das „Netzpaket“, eine Überarbeitung des Energiewirtschaftsgesetztes (EnWG) auf den Weg gebracht. Anfang März wurde erstmalig über den Gesetzesentwurf im Bundestag debattiert. Kern ist eine Neuausrichtung der Netzanschlussregeln und der Ausbau der Erneuerbaren Energien in Abhängigkeit von der Netzkapazität zu steuern.
Gigawattpakt baut Stromerzeugung aus
Ein ausbaufähiges und belastbares Stromnetz ist die Basis für den Ausbau der Erneuerbaren Energien und damit auch für den Erfolg des Gigawattpakts. Das Bündnis aus rund 60 Landkreisen, Kommunen und Unternehmen hat sich zum Ziel gesetzt, die Kapazitäten zur Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien in NRW bis 2028 auf fünf Gigawatt auszubauen. Inzwischen wurde bereits ein Ausbaustand von über vier Gigawatt erreicht.
