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Wissen & Umwelt

Denkende Häuser für intelligente Städte

Vier von fünf Menschen sollen 2030 in Megastädten leben. Die Strom- und Wasserversorgung wird zur Schlüsselaufgabe. IT-Vernetzung, intelligente Stromnetze und erneuerbare Energien sollen helfen.

Christof Wittwer im Smart Energy Lab (Foto: DW/R. Fuchs)

Herr im Smart Energy Lab: Christof Wittwer in Freiburg

Die Zukunft des Stromnetzes hat im Smart Energy Lab von Christof Wittwer vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) in Freiburg bereits begonnen. In einem linienbusgroßen Laborraum hat Wittwer Schaltschränke, Kontrolltafeln, Batteriesysteme und ein Mini-Kraftwerk angeordnet. Sein Ziel ist es, nicht nur über das intelligente Stromnetz zu reden, sondern es in Form einer Testanlage durchzuplanen. "Wir beschäftigen uns mit der Frage: Wie können wir Stromverbrauch und Stromerzeugung thermisch und elektrisch optimiert im Energienetz von morgen betreiben?“, sagt Wittwer.

Strom- und Wärmversorgung aus einem Guss

Wittwer, Abteilungsleiter für intelligente Energiesysteme am ISE, wendet sich einem großen türkisfarbenen Metall-Viereck zu. Es erinnert an eine überdimensionierte Gefriertruhe, ist allerdings eine Mikro-Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, oder Mikro-KWK-Anlage. Im Haus der Zukunft soll hier der Ort sein, an dem Strom und Wärme gemeinsam produziert werden. Denn statt Energie aus Großkraftwerken zu beziehen, wird zukünftig jeder selbst seinen Energiebedarf vor Ort produzieren, sagt Wittwer. Das geschieht dezentral, entweder durch Solar- oder Kleinwindanlagen auf dem Dach, Wärmepumpen im Keller oder eben durch ein kleines Blockheizkraftwerk, das aus Biogas oder Holz gleichzeitig Strom und Wärme macht. "Hier im Labor haben wir eine KWK-Anlage kombiniert mit einem so genannten thermischen Schichtspeicher, also einem Pufferspeicher mit Wasser drin."

Professor Bruno Burger (Foto: DW/R. Fuchs)

Macht das Smart Grid stabil: Professor Bruno Burger

Das erlaubt, die bei der Stromproduktion anfallende Abwärme zwischenzulagern und sie dann zum Heizen oder als Warmwasser zu nutzen - fürs eigene Haus oder für eine ganze Siedlung als Nahwärmenetz. Doch das ist noch längst nicht alles, was im intelligenten Strom- und Wärmenetz der Zukunft alles möglich ist, verspricht der Forscher. Biogas-betriebene Mikro-KWK-Anlagen eigneten sich besonders gut, um jene Zeiten zu überbrücken, in denen kein Solar- oder Windstrom ins Stromnetz eingespeist wird. "Das bedeutet, dass die Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen dann auf Volllast betrieben werden und trotzdem ihre Wärme nicht entsorgen, sondern einspeichern in die thermischen Speicher der Anlage."

Neue Energie, neue Speicher und neue Schnittstellen

Innenleben eines Wechselrichters (Foto: Fraunhofer ISE)

Intelligente Schnittstelle ins Netz: Innenleben eines Wechselrichters

Im intelligenten Stromnetz der Zukunft, dem so genannten Smart Grid, soll mit unterschiedlichen Energiequellen, mobilen und stationären Speichern und variablen Stromtarifen für Verbraucher vor allem eines erreicht werden: Netzstabilität. Denn wenn das tageszeit- und wetterabhängig schwankende Angebot erneuerbarer Energie nicht mit dem aktuellen Stromverbrauch in Einklang gebracht wird, dann drohen gefährliche Netzschwankungen, schlimmstenfalls sogar Blackouts. Professor Bruno Burger ist überzeugt, dass ein intelligentes Stromnetz sich im Krisenfall auch selbst helfen muss. Deshalb spielt er genau diesen Krisenfall durch - immer und immer wieder.

Im Megawatt-Labor testet der Professor für Leistungselektronik am ISE jene elektronischen Bauteile, die den Strom der hauseigenen Solaranlage ins öffentliche Stromnetz einspeisen. Burger ist überzeugt: diesen Wechselrichtern, die den als Gleichstrom eingefangenen Solarstrom in haushaltsüblichen Wechselstrom umwandeln, kommt zukünftig eine Schlüsselrolle als Netzstabilisatoren zu. Denn selbst wenn das Stromnetz zusammenbreche, könnte der vom Solargenerator gespeiste Wechselrichter weiter Strom ins Netz abgeben. "Wenn jetzt im Netz die Spannung auf 25 Prozent zurückgeht, dann kann der Wechselrichter sogar einen um Faktor drei oder vier höheren Strom ins Netz einspeisen als im Normalbetrieb und kann damit eben das Netz auch stützen."

DW-Grafik: Simone Hüls/Per Sander

Ein stabiles Stromnetz wird zur Gemeinschaftsaufgabe

Für Bruno Burger ist deshalb klar, dass auch kleinere Produzenten von Wind- oder Solarstrom zukünftig Netzmanagement betreiben werden, vollautomatisch gesteuert und in Echtzeit kontrolliert durch Energieleitwarten. "Ein Wechselrichter allein kann einen Blackout nicht verhindern, aber viele Wechselrichter zusammen können das sehr wohl.“ Würden dagegen viele Wechselrichter zusammen das Falsche machen, könnten sie auch einen Blackout provozieren, ist sich Burger sicher. Unterstützung kommt allerdings auch aus dem Smart Energy Lab von Christof Wittwer. Der setzt nämlich vor allem auf die Batterien von hunderttausenden Elektroautos, die über zentrale IT-Netze gesteuert als temporärer Zwischenspeicher für Überschuss-Strom dienen könnten.

Intelligenter Stromzähler in einer Wohnung (Foto: Fraunhofer ISE)

Der Traum vom intelligenten Stromzähler: Scheitert er am Datenschutz?

Das ist nur eine von vielen Ideen, an denen Christof Wittwer im Bereich intelligenter Speicherlösungen arbeitet, um damit Angebot und Nachfrage nach Strom in Zukunft besser auszugleichen. Daneben könnten auch große Industriekunden besonders energieintensive Produktionsprozesse mit dem Stromangebot aus Wind- und Solarenergie abstimmen, was im Fachjargon intelligentes Last-Management genannt wird. "Es könnte zum Beispiel auch heißen, dass man, wenn zuviel Solarstrom in den Netzen ist, durchaus auch Heizstäbe benutzt, um vorübergehend Energie vom Stromnetz ins Wärmenetz zu schieben."

Inwieweit der Stromkunde selbst Teil des intelligenten Stromnetzes wird, ist derzeit aber völlig offen. Denn der Einsatz von intelligenten Stromzählern ist hierzulande ins Stocken geraten. Mit "Smart Metering" sollten die Kunden mehr Anreize erhalten, Elektrogeräte wie Waschmaschinen erst dann anzuschalten, wenn günstiger Ökostrom im Netz Abnehmer sucht, eine Vision, die zuletzt vor allem von Datenschützern aufgrund möglicher IT-Sicherheitslücken unter Beschuss genommen wurde. Für Christopf Wittwer im Smart Energy Lab der Beweis: um das Stromnetz der Zukunft tatsächlich intelligent zu machen, wird es mehr als nur wissenschaftlichen Fortschritt brauchen.

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