Energieversorgung der Zukunft: Smarte Lösungen für ein stabiles Stromnetz 

Die Energiewende stellt nicht nur das deutsche, sondern das gesamteuropäische Stromnetz vor neue Herausforderungen. In der Vergangenheit wurde die Energie in großen Kraftwerken produziert und an die naheliegenden Verbraucher geleitet. Dies trifft nicht mehr zu. Der Strom kleinteiliger und meist nachhaltiger Erzeuger muss nun immer größere und verzweigtere Strecken bis zu den Endverbrauchern zurücklegen. Dafür sind innovative und zukunftsfähige Energielösungen auf allen Versorgungsebenen gefragt. Diese müssen perfekt auf die jeweiligen Anforderungen vor Ort zugeschnitten sein und dabei zwar ganzheitlich konzipiert sein, aber dennoch deutlich kleinteiliger, vernetzter und vor allem flexibler unsere Energieversorgung sicherstellen.

Allzu oft stehen dabei die regenerativen Energiequellen im Vordergrund. Tatsächlich ist aber ohne eine breitbandige Palette von unterstützenden Energietechnologien zur Zwischenspeicherung, Verteilung, Transformation und zum Management dieser Energie keine stabile und zukunftsfähige Energiewende zu erreichen.  

Wie sehen diese neuen Technologien aus, die uns helfen, die Energieversorgung der Zukunft sicherzustellen? 

Übertragungsnetze und effiziente Verteilung

Ein wesentlicher Kern, die dezentrale Energieerzeugung effizienter und bedarfsgerechter zu verteilen, ist ein tiefgreifender Umbau der Stromnetze. Die großen Höchst- oder Hochspannungsleitungen im 380/220kV-Bereich verbinden die europäischen Stromnetze miteinander oder sorgen für den immer wichtiger werdenden überregionalen Ausgleich. Diese intensiv auszubauen und smart miteinander zu verknüpfen, um Erzeuger- und Verbraucherregionen besser zusammenzuführen, bedarf innovationsgetriebener, neuartiger Ansätze. Dennoch können auch hier kleinteilige Lösungen ihren Anteil beitragen, um Netz-/Kraftwerksbetreiber oder Großabnehmer besser zu verbinden und mit präziseren Sensoren über die jeweilige Auslastung und die aktuelle Netzstabilität zu versorgen.

Umwandlung und lokale Nutzung  

Auch auf lokaler Ebene muss die Energieverteilung neugedacht werden. Statt den aus weitverzweigten Quellen erzeugten Strom aufwendig zu verteilen und das Netz zu belasten, ist es sinnvoller, die produzierte Energie direkt dort zu nutzen, wo diese produziert wird. Photovoltaik-Anlagen (PV) und Windkraftanlagen können danebenstehenden Fabriken und auch direkt die E-PKW der Mitarbeitenden versorgen. Allerdings kommt es auch hier zu Phasen der Über- und Untererzeugung. Speicherlösungen für Strom und Wärme, die genau auf die jeweiligen Ansprüche vor Ort ausgelegt sind, helfen lokal die Effizienz und Nachhaltigkeit der Energieerzeugung zu steigern, was sich als viele kleine Optimierungen schlussendlich auch auf die Stabilität des großen Gesamtnetzes auswirkt.

Großwärmepumpen oder Blockheizkraftwerke und Konzepte wie virtuelle Kraftwerke dienen dazu, kleinteilige dezentrale Energieerzeuger oder auch Abnehmer zu einer flexibleren und besser managebaren Einheit zusammenzufassen und mit dem überregionalen Netz in Einklang zu bringen. Dafür sind eine Vielzahl an Wechselrichtern als Vermittler notwendig, angepasst an die individuellen Spannungen der regionalen und überregionalen Verteilernetze oder an die betrieblichen Anforderungen, wie z. B. die ungewöhnliche Frequenz im deutschen Bahnnetz von 16,7Hz.

“From the network to the system”. Mit freundlicher Genehmigung von Dr. Michael Fette und der Fette Consulting GmbH.

Speicherung & Stabilisierung der volatilen Energieerzeugung 

Wind- und Photovoltaikanlagen sind als Kernelement der CO₂-neutralen Stromerzeugung den natürlichen Schwankungen von Wind und Sonne unterworfen. Um diese Volatilität abzufangen und auch in Zeiten von Flaute und anhaltender Bewölkung die Energieversorgung jederzeit sicherzustellen, ist der Bau von neuen und größer skalierten Batteriegroßspeichern ein wichtiger Punkt. Allerdings nicht allein, denn auch kleine häusliche und betriebseigene Energiespeicher können helfen, das Gesamtnetz zu stabilisieren. Diese können sehr kurzfristig Spitzenlasten abfedern und helfen damit die Netzspannung und -frequenz stabil und widerstandsfähig gegenüber Störungen zu halten. Neuartige Technologien müssen sicherstellen, dass dabei weniger aufwendig zu beschaffene Ressourcen wie Lithium, Kobalt und Nickel verwendet werden oder diese sogar ganz durch neuartige Feststoffbatterien oder Flow-Batterien ersetzt werden können.

Effizienz in der Arbeitswelt 

In der modernen Arbeitswelt spielen innovative Technologien eine entscheidende Rolle bei der Sicherstellung einer nachhaltigen Energieversorgung. Lokale Netzeinheiten und smarte Technik in der Industrie bieten die Möglichkeit, alle Stromflüsse in Unternehmen genauer zu überwachen und damit erneuerbare Energien möglichst effizient zu nutzen sowie den Gesamtverbrauch zu senken. Digitale Auftragsplanungssysteme, die über Energiemanagementsysteme (EMS) und präzise Wetterprognosen verfügen, ermöglichen es, energieintensive Arbeitsschritte gezielt zu planen und dabei sogar Geld zu sparen. Smarte Pufferlösungen für Produktionshallen oder Einzelanlagen helfen die aufkommenden Probleme des immer komplex-belasteten öffentlichen Stromnetzes zu kompensieren, um z. B. empfindliche Betriebstechnik vor Spannungsspitzen zu schützen.

Smartes Management für Zuhause 

Auch im privaten Umfeld tragen neue Technologien dazu bei, die Energieversorgung der Zukunft zu sichern. Smarte Anwendungen und IoT-Geräte (Internet of Things) ermöglichen die intelligentere und gezieltere Steuerung des eigenen Energieverbrauchs. Vernetzte Haushaltsgeräte, intelligente Thermostate und Beleuchtungssysteme können so programmiert werden, dass sie ihren Betrieb automatisch an die Verfügbarkeit erneuerbarer Energien anpassen. Dies optimiert nicht nur den Energieverbrauch, sondern senkt auch in Wechselwirkung die Netzbelastung und die Stromkosten. Heimenergiemanagementsysteme und smarte Zähler bieten Verbrauchern Transparenz über ihren Energieverbrauch und helfen dabei, diesen zu analysieren und anzupassen.

Mobilität als Teil der Energiewende 

In der Zukunft der Mobilität spielen neue Technologien eine zentrale Rolle. Smarte und leistungsstärkere Ladesäulen für Elektrofahrzeuge sorgen dafür, dass das Laden schneller erfolgt oder dass diese bevorzugt dann Energie liefern, wenn Solaranlagen oder Windkraftwerke reichlich Strom erzeugen. Dies reduziert nicht nur den Ressourcenaufwand, sondern fördert auch die Integration erneuerbarer Energien in den Mobilitätssektor. Wetterbasierte Prognosen und intelligente Netzmanagementsysteme stellen sicher, dass Ladevorgänge optimal geplant ausgeführt werden und die Netzbelastung reduziert wird. So trägt auch eine smarte E-Mobilität zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes und zur Stabilität des Stromnetzes bei – und ist damit Teil der Energieversorgung der Zukunft.

Wärmeversorgung und Erzeugung  

Während Stromnetze zunehmend dezentraler und heterogener werden, zeigt sich bei der Wärmeerzeugung und -verteilung ein anderes Bild. Großwärmepumpen, Reserve-Gaskraftwerke und die Anbindung von Großgebäuden und Stadtvierteln an zentrale Wärmenetze gewinnen an Bedeutung. Diese Technologien ermöglichen eine effiziente Erzeugung und Verteilung von Wärme, oft durch Nutzung von Abwärme aus Industrieprozessen oder Rechenzentren. Fortschrittliche Prognosetools und Managementsysteme erlauben die genaue Vorhersage und Steuerung des Wärmebedarfs nicht nur für einzelne Stadtviertel, sondern auch stadtübergreifend. Durch die Nutzung von Abwärme, z. B. von Rechenzentren, sowie die Integration und Verknüpfung dezentraler kleinerer Anlagen kann der Primärenergieverbrauch gesenkt und die Energieeffizienz gesteigert werden. So wird nicht nur die Wärmeversorgung ressourcenschonender und nachhaltiger, sondern gleichzeitig auch die energetische Unabhängigkeit und Versorgungssicherheit erhöht.

Wasserstoff als Speicherstoff der Zukunft 

Die kontinuierliche Forschung und Entwicklung in der Wasserstofftechnologie könnte ein wesentlicher Baustein für eine nachhaltige und zentrale Rolle in der Energieversorgung der Zukunft spielen, da es einen vielseitigen Lösungsansatz zur Reduzierung von CO2-Emissionen bietet. Fortschritte in der Verfahrenstechnik führen zu effizienteren Methoden der Wasserstoffherstellung, idealerweise unter Verwendung erneuerbarer Energien. Neue Technologien müssen entwickelt und erprobt werden, um die dazu notwendige Infrastruktur effektiv und zielgerichtet aufzubauen, um den Wasserstoff zu verteilen. Sichere Speichersysteme, von kleinen Einheiten bis hin zu großen Speichern, gewährleisten eine zuverlässige Versorgung bei Bedarf. Dieser integrierende Einsatz in verschiedenen Bereichen der Energieversorgung, einschließlich der Kopplung von Strom, Wärme und Mobilität, trägt zur Schaffung eines flexiblen und resilienten Energiesystems bei.

Welche Rolle spielt KI in der Energiewirtschaft? 

Die Fähigkeiten der Künstlichen Intelligenz (KI), optimale Lösungen auch in komplexesten Zusammenhängen zu finden und gigantische Datenmengen zu analysieren, kann auch die Energiewirtschaft verändern. Durch die Analyse von Vergangenheitsdaten und Wetterprognosen kann KI die Nutzung von Kraftwerken optimieren, um den Betrieb effizienter zu gestalten. Dies hilft die hohe Volatilität der erneuerbaren Energien auszugleichen und Störungsquellen frühzeitig zu erkennen, womit die Planungssicherheit und Netzzuverlässigkeit erhöht wird, was auch den Strompreis langfristig stabilisiert.  

Jedoch geht dies über die reine Energieerzeugung hinaus: Industrielle Großabnehmer wie die Metall- oder Chemieindustrie, Kühlhäuser oder Betreiber von Großwärmepumpen müssen besser vernetzt werden, sodass der elektrische Verbrauch und die Erzeugung stets im Gleichgewicht bleiben.

Fazit: Die Zukunft der Energieversorgung hat bereits begonnen 

Aber all diese neuen Energietechnologien sind ebenso wie die Energiewende an sich noch lange nicht abgeschlossen. Es gibt unzählige, wortwörtliche Baustellen, Verbesserungsbedarfe und eine Menge bisher unbeachteter Bereiche, die nur auf kluge Ideen von innovativen Unternehmen warten. Diese gilt es zu erdenken, zu erforschen und zu schlussendlich zu entwickeln. Um dafür die idealen Anreize zu setzen, gibt es auf regionaler, Landes-, Bundes- und europäischer Ebene eine Vielzahl an Programmen und Förderchancen, die genutzt werden können.

Damit Sie sich bestmöglich darauf fokussieren können all diese Technologien und Energiesysteme der Zukunft zu entwickeln, helfen wir von Leyton Ihnen bei der Förderung Ihrer F&E-Projekte. Gerne beraten und unterstützen wir Sie in allen Belangen der Förderung. Nehmen Sie dafür einfach Kontakt mit uns auf!