Digitalisierung macht schlau

Die Energiewende kommt in die Städte. Trotz harter Flächenkonkurrenz müssen auch die urbanen Räume regenerative Energien ausbauen, um die Versorgung zu sichern. Zugleich wächst der Strombedarf etwa für die Elektromobilität stark an.

Der Ausbau der Verteilnetze ist darauf die zentrale Antwort, und zwar mit Intelligenz. Bisher hapert es daran. „Je weiter Sie nach unten kommen, desto dümmer wird das Netz“, sagt Andreas Cerbe, Sprecher der Geschäftsführung bei Stromnetz Hamburg (SNH) mit Verweis auf die verschiedenen Spannungsstufen. Das Übertragungsnetz sei schon recht intelligent. „Auf der Niederspannungsebene ist es dagegen strohdumm“, so Cerbe. Niemand wisse etwas über das Verbrauchsverhalten. Verteilnetzbetreiber wie die SNH wollen und müssen das ändern.

„In Städten werden sich Leistung und Verbrauch bis 2045 verdoppeln. Für Hamburg erwarten wir, dass sich die benötigte Leistung von heute bis zu 1,7 Gigawatt auf 3 Gigawatt erhöhen wird“, so der SNH-Chef. Die Gründe für den wachsenden Bedarf: Elektromobilität, der zunehmende Einsatz von Wärmepumpen und Unternehmen, die Industrieprozesse vermehrt elektrisch fahren wollen. „Dafür muss das Netz fit sein“, so Cerbe.
 
Ohne Verstärkung der Kabel auf den unteren Ebenen wird es kaum gehen. Doch beim Ausbau stößt SNH wie andere städtische Netzbetreiber auch auf ein Problem. „Es dauert, bis wir die Genehmigungen für die notwendigen Bauarbeiten erhalten“, sagt Bastian Pfarrherr, Fachbereichsleiter Innovationsmanagement bei der SNH. Dazu kommen die hohen Kosten. Nichts sei durch die Inflation so teuer geworden wie die Tiefbauarbeiten. „Ein Kilometer kostet zwischen 250.000 und 500.000 Euro“, rechnet er vor. Das entspreche einer Preissteigerung von 20 Prozent im Vergleich zu den Jahren zuvor. „Wir fahren deshalb zweigleisig. Neben dem Netzausbau stärken wir den Digitalisierungspfad.“ Gelinge es, dass Netz auch auf unterer Ebene schlau zu machen, ließen sich zweistellige Prozentanteile beim Netzausbau einsparen.

Um die flexible Steuerung von dezentralen Einspeisern und Speichern auf der Niederspannungsebene zu testen, betreibt SNH auf dem eigenen Betriebssitz im Hamburger Stadtteil Bramfeld einen Innovationscampus. Markantestes Objekt ist die Photovoltaikanlage in Form einer großen Blume. Die einzelnen Module sind Blütenblättern nachempfunden. Das Gebilde mit einer Solarfläche von 18 Quadratmetern und einer Nennleistung von 2,3 kW kann dem Sonnenstand folgen. Der Hersteller Smartflower verspricht eine 40 Prozent höhere Effizienz verglichen mit herkömmlichen Solarmodulen. So will SNH auf kleiner Fläche relativ hohe Solarerträge erzeugen.

Weiterer Einspeiser ist eine vertikale Windkraftanlage mit 1 kW Nennleistung, die in sechs Meter Höhe Strom erzeugt. Zur Zwischenspeicherung dient ein Batteriespeicher mit 120 kWh Kapazität, der den Strom auch wieder einspeisen kann. Als Verbraucher und weitere Speicher ohne Einspeiseoption sind drei AC-Ladesäulen und eine DC-Schnellladestation mit vier Ladepunkten am Start.
 
„Köpfchen statt Kabel“
 
In einem Verteilerschrank ist Sekundärtechnik verbaut, die Intelligenz ins Spiel bringt. So misst ein Energiemonitoringsystem des Herstellers Jean Müller jede einzelne Komponente, die einspeist und Energie abnimmt, und zwar durch kontinuierliche Abtastung. Aus den Messereignissen lassen sich zudem die Wirk-, Blind- und die Scheinleistung ableiten. Die AC-Ladestationen dienen auch als Forschungsgegenstand für künftige digitale Ortsnetze.

„Köpfchen statt Kabel“ heißt das Pilotprojekt. Es geht darum, drei Ladesäulen dezentral zu steuern, um bei einer möglichen Überlastung im Netz reagieren zu können. Verantwortlich ist eine „dezentrale Intelligenz“, die Projektpartner Siemens beisteuert und die eine drohende Überlastung erkennt und dann entscheidet, die Leistung insgesamt oder an den einzelnen Abgängen zu reduzieren. Eine solche Steuerung soll auch dafür sorgen, Überlastung und Schäden an der vorgelagerten Netzinfrastruktur zu vermeiden.

Voraussetzung für die Wirksamkeit die Intelligenz ist, dass sie auch aufseiten der Kunden vorhanden ist, zum Beispiel bei denen, die neben dem E-Auto auch eine eigene Solaranlage und einen Speicher betreiben. Ist dort eine intelligente Technik verbaut, kann sie durch Signale aus der Ortsnetzstation angesprochen werden, den Strombezug zu reduzieren und dafür auf die regenerativ gespeiste Hausinfrastruktur zurückzugreifen.

In Hamburg gibt es rund 7.700 solcher Stationen. Bis 2045 sollen 80 Prozent digital schlau gemacht werden, sagt SNH-Innovationschef Pfarrherr. Und zwar überall dort, wo viele Kunden mit eigener Infrastruktur zu finden sind. „Wir fangen dort an, wo wir als Erstes Hotspots erwarten.“ Das sei vor allem in eher gut betuchten Wohnquartieren der Fall.

Vom bidirektionalen Laden erwartet Pfarrherr dagegen keine große Hilfe, die den Netzausbau reduzieren könnte. „Das ist nicht der versprochene Heilsbringer. Bisher existiert keine Norm bei den Fahrzeugen, wie das Entladen funktioniert.“ Es gebe keine einheitlichen Ladekurven. Die einzelnen Fahrzeugtypen nutzten verschiedene Phasen und auch der Bedarf an Blindleistung sei sehr unterschiedlich. Dazu komme das geschlossene System von Tesla. „Wir Netzbetreiber können uns nicht darauf verlassen, auf die gespeicherte Energie der Fahrzeuge zugreifen zu können“, so Pfarrherr. Auch ein Pool an Fahrzeugen würde da nicht helfen. „Wir beschaffen die Infos selber über unsere Netztechnik und verlassen uns nicht auf Dritte“, sagt er. Schließlich gebe es zur 100-prozentigen Netzsicherheit keine Alternative.
 
Erstmals zustandsbezogene Wartung möglich
 
Mehr Intelligenz soll künftig auch auf Hamburgs Mittelspannungsebene einwirken. SNH baut dafür im Vorhaben „Umspannwerk 2030“ (UW 2030) aktuell eines seiner 110-kV-Umspannwerke im Stadtteil Bramfeld um. Im Rahmen des Vorhabens soll ein neuer Standard für alle 55 Umspannwerke des Netzbetreibers entwickelt werden. Es geht zum Beispiel um den Ersatz der bisher in den Schaltanlagen noch weithin üblichen klimaschädlichen Isoliergase (SF6) durch technische Luft. Das würde neben dem Klimaschutz auch das Gashandling deutlich vereinfachen. Ebenfalls zum Einsatz kommen nicht-konventionelle Spannungswandler, die im Vergleich zur bisher verbreiteten konventionellen Technologie Platz, Gewicht und Ressourcen sparen und weniger Gefahrenpotenzial aufweisen.

Daneben führt Stromnetz Hamburg mit UW 2030 eine Sensorik für die Primärtechnik ein, um aktuelles Wissen über den Zustand der Betriebsmittel, etwa der Wandler und der Transformatoren, zu generieren. Damit könne der Netzbetreiber die zentrale Umspanntechnik erstmals „zustandsbezogen“ warten und nicht nur nach vorgesehenen Intervallen. Durch die Einführung neuer Sekundärtechnik soll außerdem die Fernsteuerung erreicht werden − eine Notwendigkeit, um den flexiblen Anforderungen der Zukunft gerecht zu werden, aber auch um der Fachkräfteknappheit durch Digitalisierung zu begegnen.

Ein weiteres zentrales Stichwort ist Cybersicherheit. Schließlich sind die Umspannwerke Teil der kritischen Infrastruktur und potenzielles Ziel von Hackern. Hierbei gilt es, entsprechend geschützte IT zu verbauen, aber gleichzeitig aus der Ferne die Umspannwerke diagnostizieren zu können. Der neue Standard für die Umspannwerke der Zukunft soll ab 2025 ausgiebig getestet werden und könnte dann in die Implementierung gehen. 

Um das Hamburger Verteilnetz künftig schlau zu machen, muss das Unternehmen bis 2045 einen zweistelligen Milliardenbetrag investieren. Derzeit, so SNH-Manager Pfarrherr, seien es 300 Millionen Euro pro Jahr. Diese Summe werde bis 2030 auf 600 Millionen Euro steigen und auf diesem Niveau für die Folgejahre bleiben. Für die Stromkunden heißt das: Intelligenz gibt es nicht gratis. Die Netzentgelte dürften dadurch deutlich ansteigen.