Smart Grid: So funktionieren intelligente Stromnetze

Der Begriff „Smart Grid“ kommt aus dem Englischen und bedeutet per Definition „intelligentes Stromnetz“. Bei Smart Grids handelt es sich um moderne elektrische Versorgungssysteme, die Erzeugung, Speicherung und Verbrauch von Strom aus diversen Quellen effizient miteinander verknüpfen und Leistungsschwankungen automatisch ausgleichen.

Smart Grids ermöglichen eine effizientere Energienutzung, reduzieren Energieverluste und unterstützen die Energiewende durch die bessere Integration dezentraler und erneuerbarer Energiequellen. Im Verlauf des Artikels gehen wir näher auf die einzelnen Punkte ein.

Das herkömmliche Stromnetz wurde hauptsächlich für die Verteilung von Strom in eine Richtung konzipiert – zwischen Kraftwerk und Verbrauchenden. Ein Smart Grid hingegen ermöglicht den bidirektionalen Fluss von Elektrizität und Daten. Es unterstützt den umfassenden Austausch von Daten zwischen den verschiedenen Akteuren im Stromnetz, darunter Energieerzeuger, Netzbetreiber und Verbrauchende. 

Durch den Einsatz digitaler Technologie und intelligenter Steuerungssysteme können Smart Grids in Echtzeit auf Veränderungen in Angebot und Nachfrage reagieren. So lässt sich das Stromnetz dynamisch steuern und erneuerbare Energien werden besser integriert als es zuvor möglich war.

In Deutschland gewinnt das Konzept des intelligenten Stromnetzes zunehmend an Bedeutung, da der Anteil erneuerbarer Energien am Strommix weiter steigen wird. Die Bundesregierung hat im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) als politische Zielsetzung festgeschrieben, dass bis 2030 etwa 80 Prozent des deutschen Stromverbrauchs durch erneuerbare Energien gedeckt werden sollen – dieses Ziel lässt sich allerdings nur erreichen, wenn weiterhin neue Windkraft- und Solaranlagen installiert und durch ein smartes Stromnetz effektiv genutzt werden. 

Übrigens: Während Deutschland bei den Solar-Ausbauzielen derzeit sogar über den angestrebten Werten liegt, kommt der Windkraftausbau nicht ausreichend voran.

Wie bereits erwähnt, ist das herkömmliche Netz noch nicht für die Stromproduktion über viele kleine und sehr unterschiedliche Stationen ausgelegt. Da aber immer mehr PV-Anlagen und andere erneuerbare Energiequellen in Betrieb genommen werden, ist ein Umdenken und Umrüsten des Stromnetzes hin zu einer effizienten, umfassenden Lösung nötig.

Die Stromerzeugung über die Erneuerbaren schwankt stark – je nachdem, wie kräftig die Sonne scheint oder wie windig es ist. Zudem erzeugen Solaranlagen den meisten Strom am Mittag und nicht frühmorgens oder abends, wenn der Bedarf am größten ist. Wollen wir künftig, wie von der Bundesregierung angestrebt, 80 Prozent unseres Stromverbrauchs über nachhaltige Ressourcen decken, müssen wir das Erzeugen, Speichern und Verbrauchen von Strom so intelligent und effizient wie möglich gestalten.

Du kannst dir die bisherige Energieversorgung wie eine Einbahnstraße vorstellen: Viele große Kraftwerke erzeugen Strom und geben ihn über Verteilernetzwerke an Haushalte und Industrie ab. Ein einfaches und stabiles Einwegsystem, das lediglich Stromzähler benötigt, um den Verbrauch und damit die Kosten für die Nutzenden zu bemessen. Allerdings hat dieses System Nachteile: Es ist unflexibel, wenig umweltfreundlich und wird von wenigen großen Energiekonzernen dominiert. Aktuell arbeitet unser Stromnetz aber noch größtenteils auf diese Weise.

Nun nimmt die Energiewende Einfluss: 

Immer mehr Unternehmen und Privathaushalte nehmen nicht nur Strom ab, sondern produzieren ihn auch selbst. Durch Photovoltaik-Anlagen auf dem Dach oder auf Freiflächen werden sie zu sogenannten „Prosumern“ – Producern und Consumern, zu Deutsch: Produzierende und Konsumierende gleichermaßen. Parallel dazu ergeben sich zwei tiefgreifende Änderungen in Bezug auf unser Stromnetz:

• Die nachhaltigen Energiequellen nutzen zwar unendliche, frei verfügbare Ressourcen wie Sonne und Wind, ganz ohne CO₂-Ausstoß. Sie produzieren jedoch nicht immer die gleichen, konstanten Mengen, wie es herkömmliche Kohle- oder Atomkraftwerke tun.

• Die Stromerzeugung geschieht weniger zentral, als es bisher der Fall war. Viele kleine Energieproduzenten liefern geringfügige Energiemengen, ob durch Solar- oder Windkraft, Biogas oder Geothermie. Diese Dezentralität bedeutet gleichzeitig eine Demokratisierung der Stromversorgung: Kleine Akteure können gleichberechtigt am Energiemarkt teilnehmen, statt dass wenige große Unternehmen den Markt unter sich ausmachen.

Ab jetzt reicht die Einbahnstraße nicht mehr – weitere Spuren müssen her, über die nicht nur die Kraftwerke, sondern auch die Kleinproduzenten, Prosumer und Verbrauchenden Strom aus unterschiedlichen Quellen ins Netz einspeisen und daraus entnehmen können. 

Großer Auftritt für Smart Grids: Ein intelligentes Stromnetz stimmt die Erzeugung, das Speichern und den Verbrauch von Strom unter allen Beteiligten optimal aufeinander ab. Es reguliert etwa die Stromerzeugung und sorgt dafür, dass Strom, der ins Netz eingespeist, aber im Moment nicht benötigt wird, in passenden Speichern landet. So ist eine stabile Energieversorgung gewährleistet. Wie das genau funktioniert? Lies weiter.

Ein Smart Grid vernetzt dezentrale Energieerzeugungseinheiten, wie Photovoltaik-Anlagen oder Windkraftwerke, mit dem bestehenden Stromnetz. Diese dezentralen Erzeuger können ihre überschüssige Energie ins Netz einspeisen, während das Smart Grid gleichzeitig den Energieverbrauch in Echtzeit überwacht und anpasst. So wird sichergestellt, dass die erzeugte Energie optimal genutzt wird und Leistungsschwankungen ausgeglichen werden können.

Ein wichtiger Punkt dabei ist die Datenübertragung in Echtzeit. Wie viel Strom wird wo und von wem produziert und wo verbraucht? Diese Informationen sind essenziell, um das Netz dynamisch steuern zu können. Rund um die Uhr müssen entsprechende Daten erhoben und geteilt werden. Die Digitalisierung des Stromnetzes ist der Schlüssel zur effizienten Integration erneuerbarer Energien. 

Ein intelligentes Stromnetz nutzt verschiedene Technologien zur Datenerfassung und -übertragung: 

• Smart Meter: digitale Stromzähler, die den Verbrauch in kurzen Intervallen messen und kommunizieren 

• Sensornetzwerk: Sensoren überwachen Netzparameter wie Spannung, Frequenz und Auslastung

• Kommunikationsinfrastruktur: ermöglicht den sicheren Datenaustausch zwischen allen Netzkomponenten 

• Analysesoftware: wertet die gesammelten Daten aus und trifft automatisierte Entscheidungen

Diese technischen Komponenten bilden das Rückgrat des Smart Grids und ermöglichen eine dynamische Anpassung an die jeweilige Versorgungssituation. Datenschutzbedenken brauchst du nicht zu haben: Alle Informationen werden verschlüsselt übertragen.

Diese Aufgabe liegt hauptsächlich bei den Netzbetreibern. Aber auch andere Akteure wie Energieversorger, Aggregatoren und zunehmend automatisierte Systeme (KI, Algorithmen) sind beteiligt. Sie alle erhalten über Smart Meter die Informationen zum aktuellen Stromverbrauch – sagen wir, in einer bestimmten Region –, und erfahren, wie viel Strom dort zum Beispiel gerade von Photovoltaik-Anlagen produziert wird. 

Die intelligenten Messsysteme sammeln Daten zu möglichen Netzüberlastungen und Spannungsausfällen. Bei Bedarf schaffen die Netzbetreiber nun einen Ausgleich zwischen Verbrauch und Erzeugung. Auf diese Art wird im Smart Grid auch eine intelligente Steuerung von Wärmepumpen, Wallboxen und Stromspeichern in privaten Haushalten möglich.

Zunehmend wird dafür auch auf dezentrale Steuerungsmechanismen gesetzt, bei denen Energiemanagementsysteme – wie Heartbeat AI von 1KOMMA5° – in Haushalten eigenständig auf Preissignale oder Netzbelastungen reagieren können. Der Netzbetreiber gibt dabei nur den maximalen Leistungsbezugswert vor, während die intelligente Verteilung lokal erfolgt.

In der folgenden Tabelle siehst du, wie die einzelnen Komponenten des Smart Grids ineinandergreifen. 

Eine der Voraussetzungen für ein intelligentes Stromnetz ist also dessen Digitalisierung. Bis 2030 muss daher jeder Stromzähler entweder smart oder digital sein. Ein Smart Meter ist digital und internetfähig. Er übermittelt Verbrauchsdaten. Digitale Stromzähler verfügen nicht über diese Kommunikationseinheit, sondern lediglich über ein digitales Display.

Im Zusammenhang mit dem Smart Grid kommuniziert ein Smart Meter rund um die Uhr im 15-Minuten-Takt mit deinem Netzbetreiber. So kann die Netzbelastung besser gesteuert werden. Außerdem profitieren Haushalte mit Smart Meter von dynamischen Stromtarifen wie Dynamic Pulse von 1KOMMA5°, sodass du zusätzlich Stromkosten einsparst. Für den Austausch des Zählers musst du in der Theorie nichts tun – die Installation eines Smart Meters oder digitalen Zählers liegt in der Verantwortung deines Netzbetreibers.

Der Ausbau der Smart Meter in Deutschland befindet sich jedoch noch in den Anfängen: Nur 1–2 Prozent der Zähler sind aktuell smart – ein deutlicher Rückstand im Vergleich zu anderen europäischen Ländern. Zwar gibt es ambitionierte Ausbauziele der Bundesregierung, doch wer schon heute von den Vorteilen eines Smart Meters profitieren möchte, kann auf 1KOMMA5° setzen: Wir verbauen Smart Meter standardmäßig mit unseren Energiesystemen.

Speicher, in denen sich überschüssiger Strom „zwischenlagern“ lässt, leisten einen wichtigen Beitrag zum Smart Grid. Eine spannende Idee ist es, E-Autos als vorübergehende Speichereinheiten für Strom zu verwenden. Wenn sie auf Parkplätzen stehen, weil viele Menschen zu Hause sind, etwa nachts oder an Feiertagen, können sie temporär Energie speichern, die in dem Moment nirgendwo anders gebraucht wird. Autos, die an eine Ladeneinheit angeschlossen sind, dienen dann als intelligente Ergänzung zu anderen Speichereinheiten.

Verbrauchende mit Eigenheim können wie folgt vom Smart Grid profitieren:

Smart Grids tragen also dazu bei, deinen Energieverbrauch effizienter zu gestalten und deine Kosten zu senken. Gleichzeitig fördern sie die Nutzung erneuerbarer Energien – damit leistest also auch du einen wichtigen Beitrag zum Klimaschutz. Und nicht zuletzt sorgen sie für eine zuverlässige Stromversorgung, und davon profitieren wir alle.

Stell dir vor, du hast eine Solaranlage mit 10 kWp auf dem Dach deines Einfamilienhauses, dazu einen Stromspeicher für 10 kWh, eine Wärmepumpe und eine Wallbox für dein Elektroauto. Alle Komponenten sind über das smarte Energiemanagementsystem Heartbeat AI von 1KOMMA5° miteinander vernetzt und mit dem Smart Grid verbunden. Zudem hast du unseren dynamischen Stromtarif.

Vor der Smart-Grid-Integration: 

• jährliche Stromkosten: ca. 2.100 Euro (bei 5.000 kWh Verbrauch)

• Autarkiegrad der PV-Anlage: 35 Prozent (= wie viel deines Gesamtstrombedarfs du durch deinen eigenen Solarstrom abdeckst)

• durchschnittlicher Strompreis: 34 Cent/kWh 

Nach der Smart-Grid-Integration mit Heartbeat AI: 

• jährliche Stromkosten: ca. 420 Euro (Ersparnis von 80 Prozent) 

• Autarkiegrad der PV-Anlage: 75 Prozent 

• durchschnittlicher Strompreis: 8,4 Cent/kWh 

Wie funktioniert das im Alltag? Nachts lädt Heartbeat AI dein E-Auto mit günstigem Nachtstrom. Tagsüber nutzt die Wärmepumpe den selbsterzeugten Solarstrom. Abends versorgt der Stromspeicher die Wärmepumpe. Überschüssigen Strom speist du ins Netz ein. Heartbeat AI steuert alle Prozesse automatisch und optimiert sie kontinuierlich.

Im europäischen Vergleich hat Deutschland bei der Implementierung von Smart-Grid-Technologien noch Aufholbedarf. Während Länder wie Dänemark, Schweden und Finnland bereits flächendeckend Smart Meter installiert haben und fortschrittliche Steuerungssysteme nutzen, steht Deutschland noch am Anfang dieser Entwicklung.

Der aktuelle Stand:

• Wie schon erwähnt, sind intelligente Stromzähler (Smart Meter) zentrale Bausteine des Smart Grids. Da aber bisher nur rund 1–2 Prozent der Zähler in Deutschland durch Smart Meter ersetzt wurden, gibt es Aufholbedarf im europäischen Vergleich. 

• Zudem sind umfangreiche Investitionen in die Netzinfrastruktur notwendig, um die Schwankungen in der Energieerzeugung auszugleichen und die Netzstabilität zu gewährleisten. Projekte wie der Ausbau von Hochspannungsleitungen sind in Planung, verzögern sich aber mitunter aufgrund von Genehmigungsverfahren und Protesten.

• Zu viele komplizierte Gesetze und Regularien verlangsamen den Ausbau erneuerbarer Energien. Häufig treten Unklarheiten auf, was die Verantwortlichkeiten zwischen Bund, Ländern und Gemeinden angeht, sodass sich wichtige Entscheidungen verzögern. Datenschutzbedenken behindern zusätzlich die Entwicklung eines intelligenten Stromnetzes.

• Die Kapazität von Batteriespeichern im deutschen Stromnetz ist im Jahr 2024 immerhin um fast ein Drittel gestiegen, was die Bemühungen zur Stabilisierung des Netzes und zur Integration erneuerbarer Energien widerspiegelt.

Die aktuellen Herausforderungen:

• Entscheidend für die Weiterentwicklung des Smart Grids wäre ein einheitlicher und förderlicher regulatorischer Rahmen. Aktuell sind die Regelungen auf verschiedene Gesetze verteilt, was die Implementierung erschwert.

• Die notwendige Vernetzung und Kommunikation zwischen verschiedenen Komponenten des Stromnetzes erfordert fortschrittliche Technologien und Standards, die noch weiterentwickelt werden müssen.

Deutschland hat bereits wichtige Schritte in Richtung eines Smart Grids unternommen, steht jedoch noch vor bedeutenden Aufgaben, bis die Vision eines vollständig integrierten und intelligenten Stromnetzes verwirklicht werden kann. Wenn es klappt, können bis 2030 tatsächlich 80 Prozent des Strombedarfs durch umweltfreundliche Wind- und Sonnenenergie gedeckt werden. 1KOMMA5° unterstützt die Transformation des deutschen Stromnetzes: mit Smart Metern, Heartbeat AI und Dynamic Pulse.