Energiewende: Chancen und Herausforderungen
Die Energiewende gilt als Schlüssel für den Kampf gegen den Klimawandel. In den letzten beiden Dekaden hat sich laut BMWi der Anteil der erneuerbaren Energien am Stromverbrauch stetig erhöht: von rund sechs Prozent im Jahr 2000 auf rund 42 Prozent im Jahr 2019 – Tendenz weiter steigend. Allerdings bringt die Energiewende auch Herausforderungen mit sich.
Zum einen werden die erzeugten Strommengen volatiler, da erneuerbare Energien nicht so zuverlässig und konstant Strom erzeugen wie Atom- oder Kohlekraftwerke. Scheint die Sonne nicht oder bläst der Wind nur schwach, erzeugen diese Anlagen wenig bis gar keinen Strom. Diese Schwankungen müssen die Netzbetreiber ausgleichen, um die stabile Versorgung mit elektrischer Energie zu gewährleisten. Zum anderen wird die Stromproduktion dezentraler. Wo früher ein Atomkraftwerk riesige Strommengen erzeugte, speisen künftig Photovoltaikanlagen, Windräder, Wasserkraftwerke oder Geothermie- und Biogasanlagen einzeln sehr viel weniger Energie ins Netz.
IoT als Basis des Smart Grid
Daher müssen die Energieunternehmen sicherstellen, dass die Stromnetze auch bei einem hohen Anteil erneuerbarer Energien und schwankender, dezentraler Stromeinspeisungen stabil bleiben und zuverlässig funktionieren. Hier kommt das Internet of Things (IoT) ins Spiel. Es bildet die Basis von intelligenten Stromnetzen (Smart Grids), in denen alle Komponenten miteinander vernetzt sind und nahezu in Echtzeit Informationen und Daten zu Stromerzeugung, -speicherung und -verbrauch austauschen. Dann lassen sich diese Bereiche gezielt steuern und so aufeinander abstimmen, dass jederzeit genug Strom zur Verfügung steht – auch aus erneuerbaren Energien.
Permanente Messung und Analyse
Smart Meter
Intelligente Zähler (Smart Meter) erfassen kontinuierlich Daten über den aktuellen Stromverbrauch sowie den zugeführten Strom und übertragen sie meist an eine Cloud-basierte IoT-Plattform. Dort werden die Werte auch mit Hilfe von KI und maschinellem Lernen analysiert und visualisiert, Prognosen erstellt etc. Die Übertragung der Daten erfolgt verschlüsselt über Smart Meter Gateways, die auch Steuersignale an dezentrale Systeme übermitteln können, um Erzeuger und Verbraucher zu koordinieren.
Optimiertes Energiemanagement
Smart Grid bringt Vorteile für Industrie und private Verbraucher
Kleinere Energieerzeuger wie Haushalte mit eigener Photovoltaikanlage, Betreiber von Windrädern, Wasserkraftanlagen etc. werden mit Hilfe der intelligenten Zähler zu aktiven Stromhändlern, wenn sie Energie in die Netze einspeisen. Zudem ist es in einem Smart Grid möglich, diese lokalen Stromproduzenten zu verknüpfen und zu einer Art virtuellem Kraftwerk zusammenzufassen. Wenn sie an das überregionale Stromnetz angeschlossen sind, können sie dortige Schwankungen ausgleichen. So tragen sie zur Stabilität und Effizienz der Stromversorgung bei. Und sollte es in den überregionalen Netzen zu Störungen kommen, gewährleisten diese kleineren „Inselnetze“ weiterhin die lokale oder örtliche Stromversorgung.
Auch für private Verbraucher ergeben sich aus einem Smart Grid Vorteile. Etwa mit zeitvariablen Tarifen, sprich einem Strompreis, der sich aus dem aktuellen Verhältnis von Angebot und Nachfrage berechnet. Ein Beispiel: Die Waschmaschine oder die Geschirrspülmaschine schalten sich nachts automatisch ein. Oder das Elektroauto lädt über Nacht, wenn wegen der geringeren Nachfrage mehr Strom zur Verfügung steht und die Kosten geringer sind. Dadurch wird die Last auf die Stromnetze effizienter verteilt. Elektroautos können in einem Smart Grid übrigens auch als Energiespeicher dienen.
Vorteile von Smart Grids
Intelligente Stromnetze aka Smart Grids erfassen über Smart Meter und das IoT die erzeugte und verbrauchte Strommenge und kombinieren verschiedene (erneuerbare) Energiequellen, um den Strom effizient zu verteilen. Damit verbunden sind folgende Vorteile:
- Hohe Transparenz über Stromerzeugung und Stromverbrauch
- Effiziente Verteilung des Stroms nach Bedarf und Verbrauch
- Exakte Abrechnung des Verbrauchs
- Zielgenaue Steuerung der Ressourcen sorgt für optimale Netzauslastung
- Netzstabilität auch beim Einspeisen von erneuerbaren Energien
- Option für lokale „virtuelle Kraftwerke“ durch den Zusammenschluss mehrerer kleiner Energieerzeuger
IoT-Plattformen unterstützen Smart Grids
Cloud-basierte IoT-Plattformen wie sphinx open online treiben die Entwicklung von Smart Grids voran. Mit IoT-fähigen Sensoren und Geräten können beispielsweise die Smart-Grid-Betreiber die erzeugte und verbrauchte Energiemenge permanent messen. Mit Hilfe von KI und maschinellem Lernen lassen sich diese Messungen analysieren, um die vorhandenen Netzkapazitäten optimal zu nutzen.
Die Vorteile von DevOps in der Praxis
Das Ergebnis der DevOps-Strategie sollte sein, dass Softwarebereitstellung für alle transparent und automatisiert funktioniert. Wichtige Prozesse der Teams verschmelzen und alle wissen jederzeit, woran die anderen gerade arbeiten. Die Methoden, um dieses Ziel zu erreichen, können unterschiedlich ausfallen. Automatisierung spielt dabei eine wichtige Rolle, beispielsweise Setup und Konfiguration der Infrastruktur passend zu neuen Software-Rollouts.
Ein anderes Beispiel für Automatisierung sind Testing- und Performance-Routinen, die Deployments verifizieren und die Leistung der Anwendung überwachen. Neben Automatisierung gehören neue Strukturen in den Teams zu den häufigen Änderungen für den DevOps-Ansatz: Entwicklung, Operations und QA werden zu einem Team, das die gesamte Softwarebereitstellung gemeinsam begleitet.
Sicherheit im Smart Grid
Mit der Vernetzung der Komponenten im Smart Grid entstehen natürlich auch Gefahren für die Sicherheit der Energienetze. Daher gelten strenge gesetzliche Datenschutzregelungen sowie spezielle Sicherheitsanforderungen für Smart Meter, die mit dem Niveau von Banken vergleichbar sind. So prüft etwa das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) die IT-Sicherheit, bevor Smart Meter eingesetzt werden dürfen.
Für weiteren Schutz sorgen ganzheitliche Sicherheitslösungen. Diese überwachen alle Komponenten zentral und garantieren eine sichere Authentifizierung und Autorisierung. Sie erkennen Angriffe (Intrusion Detection) und sehen die verschlüsselte Datenübertragung zwischen den einzelnen Komponenten vor.
