Netz der Zukunft - Digitalisierung der Schweizer Stromnetze – bidirektionale, intelligente Smart Grids.
20.5.2025
Was sind Vorteile von Smart Grids?
Die Digitalisierung der Stromnetze wird zusammenfassend unter dem Begriff
"Smart Grid" verstanden. Smart Grids bieten eine Vielzahl von
Vorteilen für Netzbetreiber, Verbraucher und das gesamte Energiesystem. Smart
Grids nutzen digitale Technologien, um Stromerzeugung, Netzbetrieb, Speicherung
und Verbrauch zu koordinieren. Dies macht das Netz flexibler, effizienter und
stabiler. Sie ermöglichen es Netzbetreibern, ihr System trotz schwankender
Einspeisung aus erneuerbaren Energien im Gleichgewicht zu halten.
swissgrid - Netz der Zukunft.
Inhaltsverzeichnis
Ziele bei der Digitalisierung der Stromnetze.
Welches sind die Schwerpunkte bei der Digitalisierung der Stromnetze?
Welches sind die Herausforderungen bei der Digitalisierung der Stromnetze?
Was bedeutet die Digitalisierung für die Struktur und den Betrieb der Energiebranche?
Welche Massnahmen haben höchste Priorität?
In welchen Zeiträumen sollen die Massnahmen bei der Digitalisierung der Stromnetze umgesetzt werden?
Welche wissenschaftlichen Untersuchungen zur Digitalisierung der Stromnetze gibt es?
Die Rolle von Blockchain bei der Digitalisierung von Stromnetzen.
Unterschiedliche Stromquellen und Produzenten, weniger Energie, aber mehr Strom.
Prosumer und die sich verändernde Rolle der Verbraucher.
Welches sind die Grundlagen und Datenbasis für Netzmodelle und Simulation?
Einsatz von IoT Technologien im digitalen Stromnetz.
Einsatz künstlicher Intelligenz bei der Digitalisierung der Stromnetze.
Welche Art von Messungen in digitalen Stromnetzen gibt es?
Intelligente Netze.
Intelligente Netze können in Echtzeit erkennen, wann und wo Strom fliesst und entsprechend reagieren. Intelligente Steuerungssysteme analysieren Daten und gleichen Schwankungen automatisch aus. Engpässe im Netz können frühzeitig erkannt und reduziert oder vermieden werden. Die Zuverlässigkeit des Stromnetzes kann verbessert und die Widerstandsfähigkeit gegen Störungen und Ausfälle erhöht werden. Anlagenausfälle können vorhergesagt werden ("predictive Maintenance").
Das Netz der Zukunft ist darauf ausgelegt, den Strom in beide Richtungen zu transportieren und auf bidirektionale Energieflüsse sowie unvorhersehbare Einspeisungen zuverlässig zu steuern.
Effizientere Planung und Reduzierung des Netzausbaus.
Digitale Lösungen sind entscheidend, um die anstehenden Herausforderungen im Netz zu bewältigen und einen kostspieligen Ausbau der Infrastruktur möglichst zu vermeiden. Eine intelligente Vernetzung kann die Ausbaukosten verringern. Smart Meter liefern eine detaillierte Datengrundlage, die ein besseres Verständnis des Netzes ermöglicht. Dies erlaubt eine präzisere, wirtschaftlichere und bedarfsgerechtere Netzplanung.
Netze können gezielt dort verstärkt werden, wo es wirklich notwendig ist. Werkzeuge wie der Digitale Zwilling ermöglichen es, Netze nahezu in Echtzeit zu visualisieren, zu simulieren und zu analysieren, um geplante Änderungen oder die Belastbarkeit zu testen. Dies hilft, fundierte Entscheidungen zu treffen und die Effizienz und Planbarkeit zu steigern. Simulationen ermöglichen es, den künftigen Leistungsbedarf realistisch abzuschätzen. Die gewonnenen Daten und Erkenntnisse tragen dazu bei, den physischen Netzausbaubedarf zu verringern. Das NOVA-Prinzip (Netzoptimierung vor Netzverstärkung vor Netzausbau) kann besser umgesetzt werden.
Vorteile für Verbraucher und Ermöglichung neuer Anwendungen.
Smart Meter helfen Kunden, ihren Verbrauch besser zu verstehen und zu optimieren, was Kosten und Energie spart. Sie können ihren Stromverbrauch live mitverfolgen. Intelligente Steuerung kann langfristige finanzielle Vorteile für Anlagenbesitzer (z.B. durch Eigenverbrauchsoptimierung) bringen. Moderne Technologien ermöglichen die bessere Einbindung "neuer" Verbraucher wie E-Autos und Wärmepumpen. Intelligente Steuerung ermöglicht es, Verbrauchsgeräte oder E-Autos dann zu laden oder Wärmepumpen dann Warmwasser erzeugen zu lassen, wenn viel Strom verfügbar oder günstig ist.
Dynamische Stromtarife können Anreize für Kunden schaffen, ihr Verbrauchsverhalten netzdienlich anzupassen. Kunden, die dies tun, zahlen weniger oder können sogar zusätzlich verdienen. Die flächendeckende Einbindung kleiner PV-Anlagen wird erst durch Smart Meter möglich.
Smart Grids ermöglichen das Management der Datenströme, wodurch Verbraucher auf die aktuelle Netzsituation reagieren können (Verbrauch reduzieren/erhöhen). Künftig können Haushalte in lokalen Energiegemeinschaften (LEGs) Strom gemeinsam erzeugen und verbrauchen oder regional produzierten Ökostrom kaufen. Bidirektionales Laden von E-Autos wird einfacher integrierbar.
Effizienzsteigerung und Prozessoptimierung für Netzbetreiber.
Digitale Technologien helfen, die zunehmende Komplexität des Energiesystems zu managen. Die umfangreiche Datengrundlage ermöglicht es Netzbetreibern, den Zustand aller Netzkomponenten zu überwachen. Prozesse können überwacht, optimiert und Prognosen automatisiert und verbessert werden. Die Abwicklung von Prozessen wie Netzanschlussgesuchen kann effizienter gestaltet werden. Daten aus Smart Metern ermöglichen eine schnellere Integration neuer Erzeuger und Verbraucher.
Unterstützung der Energiewende.
Smart Grids sind eine der Schlüsseltechnologien für die Umsetzung der Energiewende. Sie tragen dazu bei, den steigenden Anteil dezentraler Stromerzeugung (z.B. Photovoltaik, Wind) in das Netz zu integrieren. Sie ermöglichen die Sektorkopplung von Strom, Wärme und Mobilität und sind unverzichtbar für das Flexibilitätsmanagement, die Stabilität und Effizienz im Gesamtsystem. Durch optimierten Energieverbrauch und die bessere Nutzung erneuerbarer Energien machen Smart Grids die Energieversorgung klimafreundlicher. Sie ermöglichen die dezentrale Versorgung.
Ziele bei der Digitalisierung der Stromnetze.
Mit dem wachsenden Anteil dezentraler und fluktuierender erneuerbarer Energien wie Photovoltaik und Windkraft sowie neuen grossen Verbrauchern wie Wärmepumpen und Elektromobilität wird die Steuerung der Netze komplexer. Digitale Technologien und intelligente Steuerungssysteme helfen dabei, die Stromerzeugung und den Verbrauch in Echtzeit auszugleichen und die Systemstabilität zu gewährleisten. Sie ermöglichen es, kritische Netzsituationen frühzeitig zu erkennen und zu entschärfen.
Durch die Digitalisierung und den Einsatz von intelligenten Messsystemen wie Smart Metern wird eine viel bessere Datengrundlage geschaffen. Diese Daten ermöglichen detailliertere Einblicke in die Netzauslastung und Verbrauchsprofile der Kunden. Dies führt zu einer präziseren und wirtschaftlicheren Netzplanung, bei der Investitionen gezielt dort erfolgen können, wo sie wirklich notwendig sind.
Ein wichtiges Ziel ist es, teuren physischen Netzausbau möglichst zu vermeiden oder zu reduzieren. Digitale Lösungen wie dynamisches Lastmanagement und die intelligente Steuerung ermöglichen es, die bestehenden Netzkapazitäten besser zu nutzen und Lastspitzen auszugleichen. Das Netz muss den Strom künftig in beide Richtungen transportieren können. Smart Grids erleichtern die Anbindung und das Management von Millionen kleiner Einspeiseanlagen wie PV auf Hausdächern und neuen grossen Verbrauchern wie E-Autos und Wärmepumpen in den unteren Netzebenen. Digitale Anmeldeportale verkürzen Bearbeitungszeiten für Netzanschlussgesuche.
Intelligente Netze ermöglichen Anreize und Mechanismen wie zum Beispiel dynamische Tarife, intelligente Steuerung von Geräten, um den Stromverbrauch an die aktuelle Produktion anzupassen. Dies bedeutet beispielsweise, E-Autos oder Wärmepumpen dann zu betreiben, wenn viel erneuerbarer Strom verfügbar und günstig ist.
Durch die Digitalisierung und den Zugang zu Daten können Energieunternehmen neue Angebote für Kunden entwickeln und ihre internen Prozesse optimieren. Smart Meter ermöglichen Transparenz für Kunden bezüglich ihres Verbrauchs und ihrer Eigenproduktion, helfen ihnen beim Energiesparen und ermöglichen die Teilnahme an lokalen Energiegemeinschaften. Die Digitalisierung zielt auf effiziente, schnelle und automatisierte Prozesse im Netzbetrieb und bei der Kundeninteraktion ab. Insbesondere im Niederspannungsnetz, wo es bisher an Transparenz mangelte, sollen intelligente Messsysteme und digitale Zwillinge den aktuellen Netzzustand erfassbar machen.
Die Digitalisierung ist entscheidend, um die Vernetzung von Strom, Wärme und Mobilität sowie das Flexibilitätsmanagement im Gesamtsystem zu ermöglichen. Neue digitale Kanäle und Portale sollen die Interaktion mit den Kunden bündeln und verbessern.
Welches sind die Schwerpunkte bei der Digitalisierung der Stromnetze?
Die Energieversorgung steht vor grossen Veränderungen. Dezentrale und fluktuierende erneuerbare Energien, Elektromobilität und Wärmepumpen stellen neue Anforderungen an das Stromnetz. Um diese Herausforderungen zu meistern, ist die Digitalisierung unerlässlich – das Netz wird zum „Smart Grid“.
Diese Transformation zielt darauf ab, das Netz sicherer, flexibler, effizienter und wirtschaftlicher zu gestalten. Sie ist eine Schlüsseltechnologie für die Umsetzung der Energiewende und die Dekarbonisierung. Die Schwerpunkte bei der Digitalisierung der Stromnetze sind:
Erhöhung der Netzstabilität und Versorgungssicherheit.
Mit dem wachsenden Anteil dezentraler und fluktuierender Erzeugung und neuen grossen Verbrauchern wie E-Autos und Wärmepumpen wird die Steuerung komplexer. Digitale Technologien und intelligente Steuerungssysteme helfen, Erzeugung und Verbrauch in Echtzeit auszugleichen und die Systemstabilität zu gewährleisten. Sie ermöglichen es, kritische Netzsituationen frühzeitig zu erkennen und zu entschärfen, die Widerstandsfähigkeit gegen Störungen zu verbessern und Ausfälle vorherzusagen.
Effizienzsteigerung im Netzbetrieb und bei der Planung.
Intelligente Messsysteme (Smart Meter) schaffen eine bessere Datengrundlage. Diese Daten ermöglichen ein besseres Verständnis der Netzauslastung und der Kundenprofile. Dies führt zu einer präziseren und wirtschaftlicheren Netzplanung. Investitionen können gezielt dort erfolgen, wo sie wirklich notwendig sind. Digitale Zwillinge unterstützen die Planung und Simulation des Netzes und ermöglichen detaillierte Lastflussdarstellungen. Automatisierung von Prozessen, wie z.B. bei Anschlussprüfungen, steigert die Effizienz.
Optimierung und Minimierung des Netzausbaus.
Ein wichtiges Ziel ist es, teuren physikalischen Netzausbau möglichst zu vermeiden oder zu reduzieren. Digitale Lösungen wie dynamisches Lastmanagement und intelligente Steuerung ermöglichen es, die bestehenden Netzkapazitäten besser zu nutzen und Lastspitzen auszugleichen. Die Leistungsbegrenzung bei Einspeiseanlagen (z.B. PV) reduziert ebenfalls den Investitionsbedarf. Daten aus Smart Metern erlauben einen gezielteren Ausbau. Das Prinzip "Netzoptimierung vor Netzverstärkung vor Netzausbau" steht im Fokus.
Integration dezentraler Erzeuger und neuer Verbraucher.
Das Netz muss Strom in beide Richtungen transportieren können. Smart Grids erleichtern die Anbindung und das Management von Millionen kleiner Einspeiseanlagen und neuen grossen Verbrauchern (E-Autos, Wärmepumpen) in den unteren Netzebenen. Digitale Anmeldeportale verkürzen Bearbeitungszeiten für Netzanschlussgesuche.
Förderung netzdienlichen Verhaltens und Nachfragesteuerung (Demand Side Management).
Intelligente Netze ermöglichen Anreize und Mechanismen, um den Stromverbrauch an die aktuelle Produktion anzupassen. Beispiele sind dynamische Tarife und die intelligente Steuerung von Geräten wie E-Autos oder Wärmepumpen.
Entwicklung neuer Produkte, Services und Geschäftsmodelle.
Die Digitalisierung und der Zugang zu Daten ermöglichen Energieunternehmen, neue Angebote für Kunden zu entwickeln. Smart Meter bieten Kunden Transparenz über ihren Verbrauch und ihre Eigenproduktion und helfen beim Energiesparen. Die Digitalisierung optimiert auch interne Prozesse und verändert Vertriebswege und die Kundeninteraktion.
Schaffung von Transparenz.
Insbesondere im Niederspannungsnetz, wo es bisher an Transparenz mangelte, sollen intelligente Messsysteme und digitale Zwillinge den Netzzustand erfassbar machen. Echtzeitdaten aus Smart Metern und Sensorik tragen zur Netzzustandsermittlung bei.
Vorbereitung auf die Sektorkopplung.
Die Digitalisierung ist entscheidend, um die Vernetzung von Strom, Wärme und Mobilität sowie das Flexibilitätsmanagement im Gesamtsystem zu ermöglichen. Die Elektrifizierung dieser Sektoren erhöht den Strombedarf und die Komplexität, was ein intelligentes, vernetztes Netz erfordert.
Welches sind die Herausforderungen bei der Digitalisierung der Stromnetze?
Das Netz der Zukunft muss Strom nicht mehr nur in eine Richtung transportieren, sondern bidirektionale Flüsse beherrschen und eine Vielzahl kleiner Einspeiser und grosser Verbraucher integrieren. Die Digitalisierung ist unerlässlich, um das Netz an diese neuen Realitäten anzupassen und Ziele wie erhöhte Stabilität, Effizienz und Versorgungssicherheit zu erreichen. Doch der Weg zum intelligenten Stromnetz ist nicht ohne Hürden. Zahlreiche Herausforderungen müssen gemeistert werden.
Steigende Komplexität im Netzbetrieb.
Die wachsende Zahl dezentraler und fluktuierender Erzeugungsanlagen (wie PV und Wind) sowie neuer grosser Verbraucher (Wärmepumpen, Elektromobilität, Rechenzentren) erhöht die Komplexität der Netzsteuerung erheblich. Es wird immer schwieriger, das System im Gleichgewicht zu halten und Stromangebot und -nachfrage exakt aufeinander abzustimmen. Dies erfordert umfassende Digitalisierung und Automatisierung.
Umgang mit enormen Datenmengen.
Die Digitalisierung generiert riesige Datenströme aus Smart Metern, Einspeisungen und dem Netzbetrieb. Energieunternehmen müssen zu Datenspezialisten werden, um diese Daten zu managen und produktiv zu nutzen. Eine grosse Herausforderung ist dabei, Daten aus verschiedenen IT-Systemen zusammenzuführen und eine dauerhaft hohe Datenqualität zu sichern, da 100% Datenqualität bei einem "lebendigen" Netzmodell ein Mythos ist.
Mangelnde Transparenz, insbesondere im Niederspannungsnetz.
Bisher mangelt es oft an detaillierten Informationen über den Zustand der Netze, insbesondere auf der Niederspannungsebene. Standardlastprofile reichen nicht mehr aus, da Prosumer-Haushalte und Elektromobilität nicht berücksichtigt werden. Intelligente Messsysteme und digitale Zwillinge sind notwendig, um diesen Mangel zu beheben.
Integration dezentraler Anlagen und neuer Lasten.
Das Stromnetz wurde historisch für den unidirektionalen Fluss von grossen Zentralkraftwerken zum Verbraucher ausgelegt. Die Integration von Millionen kleiner Einspeiseanlagen und neuen, grossen Verbrauchern in den unteren Netzebenen ist eine Herausforderung. Die Physik setzt dem Ausbau Grenzen; das Netz stösst in einigen Quartieren bereits an seine Kapazitätsgrenzen, da es nicht für die hohe Stromeinspeisung dimensioniert war.
Notwendigkeit von massivem physischem Netzausbau.
Digitale Lösungen allein reichen nicht aus, um die zukünftigen Anforderungen zu bewältigen. Ein signifikanter physischer Ausbau, die Verstärkung von Leitungen und die Vergrösserung von Transformatoren und Unterwerken sind parallel zur Digitalisierung notwendig. Dabei gibt es praktische Hürden wie zähe Standortsuche für neue Trafostationen und lange Bewilligungsverfahren.
Regulatorische Rahmenbedingungen und Standardisierung.
Es gab lange keine gemeinsamen, verbindlichen Vorgaben. Die Regulierung stellt neue Anforderungen an Netzbetreiber. Teilweise werden Massnahmen für die Digitalisierung im Rahmen der Anreizregulierung schlechter gestellt als der Ausbau neuer Leitungen. Zudem fehlt es zum Teil noch an der Standardisierung von Schnittstellen, obwohl Ansätze wie SmartGridready existieren.
Hohe Kosten und Investitionsbedarf.
Die Transformation zu intelligenten Stromnetzen erfordert erhebliche Investitionen sowohl in die digitale Infrastruktur (Smart Meter, Kommunikation) als auch in den physischen Ausbau. Der flächendeckende Rollout von Smart Metern verursacht hohe Kosten. Die Netzkosten werden durch den Ausbau und die Dezentralisierung stark steigen.
Datenschutz und Datensicherheit.
Die Verarbeitung sensibler Verbrauchs- und Produktionsdaten aus intelligenten Messsystemen erfordert strenge Datenschutzstandards. Hohe Sicherheitsanforderungen können dabei den Rollout verlangsamen und Geräte verteuern.
Kulturwandel und Fachkräftemangel.
Die Digitalisierung erfordert einen Wandel der Unternehmenskultur und neue, agile Arbeitsmethoden. Es braucht qualifiziertes Personal, um die digitale Welt zu beherrschen, und die Branche leidet unter Fachkräftemangel.
Bewusstsein und Verhaltensänderung.
Manchmal fehlt noch das volle Bewusstsein für den Nutzen der Digitalisierung, besonders im Niederspannungsbereich. Zwar liefern Smart Meter Daten, aber die tatsächliche Energieeinsparung durch Kundenverhalten kann gering sein. Es müssen Anreize geschaffen werden, um netzdienliches Verhalten wie den Verbrauch an die Erzeugung anpassen zu fördern.
Was bedeutet die Digitalisierung für die Struktur und den Betrieb der Energiebranche?
Die historische Struktur, bei der Strom zentral in Grosskraftwerken erzeugt und über höhere Netzebenen zum Endverbraucher transportiert wurde, wandelt sich grundlegend. Die Digitalisierung ist unerlässlich, um den massiven Zubau dezentraler, oft kleinerer Produktionsanlagen wie Photovoltaik- und Windkraftanlagen zu integrieren. Diese Anlagen speisen Strom zunehmend in den unteren Netzebenen, insbesondere im Niederspannungsnetz, ein. Das Netz wird von einer "Einbahnstrasse" zu einem Netzwerk, in dem Strom in alle Richtungen fliesst. Dies erfordert eine Neuausrichtung der Netzinfrastruktur und ihrer Steuerung. Insbesondere das Niederspannungsnetz erhält eine weitaus wichtigere Funktion als früher. Es muss künftig nicht mehr nur verteilen, sondern auch dezentrale Erzeugung aufnehmen und neue grosse Verbraucher wie Wärmepumpen und Elektromobilität integrieren.
Das System wird komplexer und umfasst neben den traditionellen Erzeugern und Netzbetreibern viele neue Teilnehmer. Dazu gehören Millionen von kleinen Einspeiseanlagen, neue grosse Verbraucher, Betreiber von Speichern und schliesslich die Endverbraucher selbst, die zu "Prosumern" (gleichzeitig Produzent und Konsument) werden. Die Digitalisierung trägt dazu bei, dass die Grenzen zwischen den Energiesparten (Strom, Wärme, Mobilität) verschwimmen. Sie ermöglicht die Vernetzung und das Flexibilitätsmanagement im Gesamtsystem. Auch die ICT-Industrie wird zu einem Kernbestandteil der Energieversorgung.
Die Digitalisierung ermöglicht die Entwicklung neuer Produkte und Services. Digitale Plattformen gewinnen an Bedeutung für Energiehandel, Kundeninteraktion und Prozessabwicklung wie Netzanschlussgesuche. Es drängen neue, oft digital orientierte Akteure und Start-ups auf den Markt, was die Zukunft konventioneller EVUs herausfordert. Die stark fluktuierende und dezentrale Einspeisung erneuerbarer Energien sowie die neuen grossen Verbraucher führen zu deutlich höheren Lastspitzen und -schwankungen. Das macht die Steuerung des Netzes und das Aufrechterhalten des Gleichgewichts zwischen Erzeugung und Verbrauch deutlich schwieriger als im historischen System mit stabil vorhersehbarem Fluss. Der Umgang mit grossen Datenströmen aus Smart Metering, Einspeisung und Netzbetrieb wird zentral. Energieunternehmen müssen zu Datenspezialisten werden, um diese Daten zu managen, zu analysieren und daraus Nutzen zu ziehen. Das Datenwachstum ist enorm. Die Digitalisierung zielt auf effiziente, schnelle und automatisierte Prozesse ab. Dies betrifft interne Betriebsabläufe (z.B. Prozessdigitalisierung, Prozessautomatisierung) und die Kundeninteraktion. Auch die Steuerung des Netzes selbst wird automatisiert.
Digitale Technologien wie Smart Meter und digitale Zwillinge schaffen eine viel bessere Datengrundlage und Transparenz, insbesondere im Niederspannungsnetz, wo diese bisher fehlte. Dies ermöglicht eine präzisere, wirtschaftlichere und bedarfsgerechtere Netzplanung, die Simulation geplanter Änderungen und die Erkennung potenzieller Überlastungen. Die Planung basiert nicht mehr nur auf historischen Grundsätzen, sondern auf Echtzeitdaten und Algorithmen. Ein wichtiges Ziel ist es, den teuren physikalischen Netzausbau durch digitale Lösungen wie dynamisches Lastmanagement und intelligente Steuerung zu minimieren. Das NOVA-Prinzip (Netzoptimierung vor Netzverstärkung vor Netzausbau) steht dabei im Fokus. Intelligente Netze ermöglichen Mechanismen wie dynamische Tarife, um Anreize für Kunden zu schaffen, ihren Verbrauch an die aktuelle Produktion anzupassen (Demand Side Management). Digitale Technologien und intelligente Steuerungssysteme sind entscheidend, um die Netzstabilität zu gewährleisten und die Versorgungssicherheit angesichts der zunehmenden Komplexität aufrechtzuerhalten. Sie helfen, kritische Situationen frühzeitig zu erkennen und die Widerstandsfähigkeit gegen Störungen zu verbessern. Das oberste Ziel bleibt die zuverlässige Stromversorgung.
Daten aus Sensoren und Smart Metern können für «predictive Maintenance» (vorausschauende Wartung) genutzt werden. Künstliche Intelligenz kann Ausfälle von Anlagen vorhersagen.
Die Kundeninteraktion wird über digitale Kanäle und Portale gebündelt und verbessert. Kunden erhalten mehr Transparenz über ihren Verbrauch. Die Digitalisierung erfordert einen Kulturwandel in den Unternehmen, neue agile Methoden und die Qualifizierung der Mitarbeiter für die digitale Welt.
Welche Massnahmen haben höchste Priorität?
Es gibt Massnahmen, die als Grundlage dienen und welche darauf aufbauen, um die komplexen Herausforderungen des zukünftigen Stromnetzes zu meistern. Die Digitalisierung der Stromnetze umfasst im Wesentlichen folgende miteinander verknüpfte Massnahmen:
Die Datenerfassung als Fundament: Smart Meter und Sensorik.
Die Installation intelligenter Messsysteme (Smart Meter) bei den Endverbrauchern wird als Rückgrat eines modernen Energiesystems bezeichnet. Sie sind ein wesentlicher Baustein und eine wichtige Grundlage für die Realisierung intelligenter Netze. Smart Meter ersetzen konventionelle Zähler und übermitteln Verbrauchsdaten digital – idealerweise in Echtzeit. Dies schafft dringend benötigte Transparenz, insbesondere im Niederspannungsnetz, wo diese bisher fehlte. Zusätzlich zu Smart Metern liefern Sensoren an verschiedenen Komponenten des Netzes (z.B. Transformatoren, Leiterseile, Kabelmuffen) permanent Daten über den Netzzustand und die Anlagenauslastung. Diese umfassende Datengrundlage ist essenziell und der Ausgangspunkt für alle weiteren digitalen Anwendungen. Ohne diese Daten gibt es keine sinnvollen Prognosen oder intelligente Steuerung.
Die Dateninfrastruktur: Digitale Kommunikationsnetze und Plattformen.
Die gesammelten, riesigen Datenmengen müssen gemanagt werden. Dies erfordert den Aufbau digitaler Kommunikationsnetze, die Haushalte, Erzeugungsanlagen, Speicher und Netzbetreiber verbinden. Die Vernetzung der Komponenten über einheitliche Schnittstellen ist dabei entscheidend.Daten aus verschiedenen, oft isolierten Systemen (wie GIS, BIS, ERP, SCADA, MDM) müssen zusammengeführt und integriert werden. Zentrale Datenplattformen sollen den Datenaustausch zwischen den Akteuren der Branche vereinfachen. Die Energieversorgung wird zunehmend abhängig von voll vernetzten und ausfallsicheren intelligenten Datenkommunikationssystemen. Das Internet der Dinge (IoT) spielt dabei eine grosse Rolle.
Werkzeuge für Analyse, Simulation und Planung: Künstliche Intelligenz und Digitale Zwillinge.
Angesichts der riesigen Datenmengen aus Smart Metern und Sensoren wird die Auswertung dieser Daten mit Künstlicher Intelligenz (KI) von zentraler Bedeutung. Digitale Zwillinge sind virtuelle Abbilder des Stromnetzes oder einzelner Anlagen, die mit Geodaten und realen Betriebsdaten verknüpft sind. Sie bauen auf der erfassten Datengrundlage auf. Digitale Zwillinge ermöglichen es, das Netz nahezu in Echtzeit zu visualisieren, zu simulieren und zu analysieren. Man kann Lastflüsse darstellen, geplante Änderungen testen, die Auswirkungen des Zubaus von PV, Speichern, Wärmepumpen und E-Mobilität simulieren, kritische Netzsituationen erproben, und potenzielle Überlastungen frühzeitig erkennen. Diese Simulationen und Analysen sind entscheidend für eine effiziente Netzplanung und helfen, fundierte Entscheidungen zu treffen. Sie ermöglichen eine präzisere, wirtschaftlichere und bedarfsgerechtere Planung und unterstützen das NOVA-Prinzip (Netzoptimierung vor Netzverstärkung vor Netzausbau), um teuren physikalischen Netzausbau zu minimieren. Es gibt Experten, die den Ausbau der Messtechnik und die Analyse der Daten, beispielsweise mit einem digitalen Zwilling, "an oberster Stelle stellen", da sie die Grundlage für gezielte und effiziente Massnahmen bilden.
Die Steuerung: Intelligente Regelung und Management.
Auf Basis der erhobenen Daten und der Erkenntnisse aus Analysen und Simulationen wird das Netz intelligent gesteuert. Dies umfasst das dynamische Lastmanagement und das Einspeisemanagement für dezentrale Anlagen. Ziel ist es, die fluktuierende Erzeugung mit dem variablen Verbrauch in Einklang zu bringen. Intelligente Steuerungssysteme analysieren Daten in Echtzeit, erkennen Lastspitzen oder Überkapazitäten und steuern Erzeugung, Verbrauch und Speicherung flexibel. Die Möglichkeit zur Steuerung steuerbarer Verbrauchseinrichtungen wie Wärmepumpen und E-Autos wird durch digitale Technologien ermöglicht und ist entscheidend, um Überlastungen zu vermeiden. Auch dynamische Stromtarife können als Anreiz für Kunden dienen, ihr Verbrauchsverhalten netzdienlich anzupassen und somit die Last zu reduzieren und zu verschieben.
Die Prozessoptimierung und Automatisierung.
Die Digitalisierung ermöglicht die Effizienzsteigerung durch Automatisierung interner Betriebsabläufe. Dies betrifft zum Beispiel die Abwicklung von Netzanschlussgesuchen durch Online-Portale oder die Automatisierung von Netzsimulationen im Rahmen der Anschlussprüfung. Automatisierung hilft, die Bearbeitungszeiten zu verringern und den steigenden Druck durch die schnell wachsende Zahl von Anschlüssen zu bewältigen. Auch die Kundeninteraktion wird durch digitale Kanäle und Plattformen optimiert und gebündelt.
In welchen Zeiträumen sollen die Massnahmen bei der Digitalisierung der Stromnetze umgesetzt werden?
Die Umsetzung dieser Massnahmen erfolgt in unterschiedlichen Zeiträumen, abhängig vom jeweiligen Ziel und Land (Vergleich Schweiz / Deutschland).
Smart Meter Rollout (Stand Mai 2025).
Ein zentraler Baustein des Smart Grids ist die Einführung von intelligenten Messsystemen (Smart Metern) beim Endverbraucher. In der Schweiz gibt es eine gesetzliche Auflage des Bundes für alle Verteilnetzbetreiber, bis Ende 2027 mindestens 80 Prozent der Stromzähler durch Smart Meter zu ersetzen. Ein Beispiel für einen Energieversorger, der diesen Prozess vorantreibt, ist die EW Höfe. Sie plant, den Wechsel auf Smart Meter in ihrem Versorgungsgebiet bereits bis Ende 2025 abzuschliessen. Daten aus Smart Metern und digitale Technologien wie der Digitale Zwilling werden bereits heute für detaillierte Netzanalysen und Simulationen eingesetzt. Die EW Höfe nutzt ihren digitalen Zwilling seit Februar 2023. Dies soll eine umfassende Datengrundlage für ihr Verteilnetz liefern. Aktuell liegt der Anteil digitaler, fernauslesbarer Smart Meter in der Schweiz noch bei etwa 5 Prozent, soll aber stark steigen. Ein flächendeckender Rollout wird jedoch voraussichtlich länger dauern. In Deutschland werden Smart Meter ab 2025 für viele Verbraucher verpflichtend. Die flächendeckende Umrüstung in Deutschland soll bis spätestens 2032 abgeschlossen sein. Der Prozess wird dort als komplex beschrieben.
Breitere Smart Grid und Netzentwicklungspläne.
Die "Digitalisierung der Kernprozesse von
Stromproduktion, Übertragung, Handel, Verteilung und Vertrieb" wird in den
Quellen als weit fortgeschritten beschrieben. Erste digitale Netzlösungen
werden bereits erprobt. Die nationale Netzgesellschaft Swissgrid plant im
Rahmen ihrer langfristigen Netzplanung ("Strategisches Netz 2040")
die Umsetzung von 31 wesentlichen Netzverstärkungs- und Netzausbauprojekten im
Schweizer Höchstspannungsnetz bis 2040. Damit soll das Übertragungsnetz fit für
die Energiezukunft gemacht werden. Die Energiestrategie 2050 und das
Netto-Null-Ziel bis 2050 sind übergeordnete Rahmenbedingungen, die die
Digitalisierung und den Umbau der Netze erforderlich machen.
Mehr Informationen zum Netz der Zukunft von swissgrid.
Gesetzliche Anpassungen, wie der § 14a des
Energiewirtschaftsgesetzes (EnWG) in Deutschland, wurden Anfang 2024 angepasst,
um z.B. die temporäre Reduzierung der Leistung steuerbarer
Verbrauchseinrichtungen zu erlauben, was mit zunehmender Smart Meter Verbreitung
zeitnah Realität werden dürfte. Die Entwicklung hin zu einem vollständig
intelligenten, digitalen Stromnetz wird als Prozess beschrieben, der nicht von
heute auf morgen entsteht. Es handelt sich um eine Transformation, die im
laufenden Betrieb Schritt für Schritt umgesetzt wird. Dynamische Stromtarife,
die es Kunden ermöglichen, von Preisschwankungen zu profitieren und ihr
Verbrauchsverhalten anzupassen, müssen in Deutschland ab 2025 von
Stromanbietern angeboten werden.
Welche wissenschaftlichen Untersuchungen zur Digitalisierung der Stromnetze gibt es?
Im spezifischen Kontext mit der Digitalisierung von Stromnetzen (Smart Grids) und der Energiewirtschaft gibt es mehrere Bereiche, in denen Forschung und Erprobung stattfinden.
Forschungsprojekte zu KI im Stromnetz.
Es gibt bereits erste Forschungsprojekte, beispielsweise vom Fraunhofer Institut. Diese Projekte befassen sich unter anderem damit, Anomalien in der Erzeugung, dem Verbrauch oder der Übertragung nahezu in Echtzeit zu erkennen und passende Lösungen zu entwickeln, um Netze zu stabilisieren. Dies deutet auf laufende wissenschaftliche Bemühungen hin, die Stabilität intelligenter Netze (Smart Grids) durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) zu verbessern.
Bedeutung von Machine Learning und Neuronalen Netzen.
Beim Verbessern von Prognosen in der Energiewirtschaft, insbesondere für die Integration erneuerbarer Energien, spielen Machine Learning und neuronale Netze eine tragende Rolle. Die Entwicklungen der Prognosequalität in den letzten Jahren, die den Einsatz von KI widerspiegeln, haben das Potenzial in diesem Bereich gezeigt. Eine beobachtete Erkenntnis aus der Anwendung dieser Methoden ist die Verringerung des Bedarfs an Regelenergie, obwohl der Anteil volatiler Stromerzeuger (wie Solar und Wind) am Markt zugenommen hat. Dies ist ein konkretes Ergebnis, das auf den Fortschritten bei KI-gestützten Prognosen basiert.
Pilotversuch "OrtsNetz".
Der Energieversorger EKZ führt einen Pilotversuch namens "OrtsNetz" in Winkel durch, um grundlegende Fragen zur Digitalisierung und zum dynamischen Lastmanagement zu beantworten. Ziel ist es, herauszufinden, welche Lasten beeinflusst werden sollen, wie dynamisches Lastmanagement technisch am effizientesten umgesetzt werden kann und ob Kunden durch Tarifanreize zum gewünschten Verhalten motiviert werden können. Dabei wird auch das Potenzial des bidirektionalen Ladens von Autobatterien als Zwischenspeicher für Solarstromüberschüsse untersucht. Dieser Pilotversuch soll technische Funktionalität und Kundenbeteiligung prüfen und bis 2025 wesentliche Fragestellungen klären.
Testlabore und Entwicklungzentren.
Unternehmen wie 1Komma5° betreiben Entwicklungszentren (z.B. das TechLab in Berlin-Neukölln). Dort werden alle Komponenten wie Wärmepumpen-, Wallboxen-, Batteriespeicher- und Solaranlagensteuerung sowie das Energiemanagementsystem unter realen Bedingungen getestet, optimiert und weiterentwickelt. Verschiedene Wetterbedingungen, Erzeugungs- und Verbrauchsprofile sowie Strommarktsituationen können digital simuliert werden, um die Technik präzise zu testen.
Studien zur Smart-Meter-Akzeptanz.
Es werden Studien erwähnt, die zeigen, dass das größte Hemmnis für die Akzeptanz von Smart Metern die Angst ist, private Informationen preiszugeben, ohne zu wissen, wie diese verwendet werden. Diese Erkenntnis aus wissenschaftlichen Untersuchungen weist auf eine wichtige soziale und datenschutzrelevante Herausforderung bei der Einführung digitaler Stromzähler hin.
Studien zu Marktmechanismen.
Eine aktuelle Studie von KfW Research (Feb. 2025) wird genannt, die das Verhältnis von Strom- zu Gaspreis als mitentscheidend für den Verkauf von Wärmepumpen betrachtet. Das Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat zudem die hohe Effizienz von Wärmepumpen berechnet.
Die Digitalisierung, insbesondere durch den Einsatz von KI und Smart Metern, wird als elementar für das Gelingen der Energiewende und die Entwicklung intelligenter Stromnetze (Smart Grids) gesehen. Sie ermöglicht die Vernetzung von Verbrauchern und Erzeugern, das Management der zunehmenden Dezentralisierung, die Verarbeitung großer Datenmengen, die Verbesserung von Prognosen im Stromhandel, die Koordination von Teilnehmern im Virtuellen Kraftwerk, und intelligente Lösungen auf Verbraucherseite wie Smart Homes.
Studien zu Marktmechanismen und Wärmepumpen.
Eine "Aktuelle Studie von KfW Research (Feb. 2025)" betrachtet das Verhältnis von Strom- zu Gaspreis als mitentscheidend für den Verkauf von Wärmepumpen. Das Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) hat zudem die hohe Effizienz von Wärmepumpen berechnet, die aus 1 kWh Strom bis zu 4,7 kWh Wärme erzeugen können. Obwohl diese Studien nicht direkt die Digitalisierung des Netzes untersuchen, liefern sie wissenschaftliche Erkenntnisse zu Technologien und Marktbedingungen, die eng mit der intelligenten Nutzung des digitalen Netzes verbunden sind.
Die Rolle von Blockchain bei der Digitalisierung von Stromnetzen.
Was ist Blockchain?
Blockchain ist vereinfacht dargestellt eine Art digitale Datenbank oder ein digitales Journal, also ein Logbuch, das Informationen oder Transaktionen in Blöcken speichert. Diese Blöcke sind miteinander verbunden und bilden eine Kette. Technisch gesehen enthält jeder neue Block eine Referenz auf den davor hinzugefügten Block, oft durch kryptographische Hash-Funktionen realisiert. Ein zentrales Merkmal der Blockchain ist ihre dezentrale Struktur. Im Gegensatz zu herkömmlichen Datenbanken läuft sie nicht auf einem einzigen zentralen Server, sondern auf einem Netzwerk von Computern. Jeder Teilnehmer dieses Netzwerks, der auf den Inhalt zugreifen kann, erhält eine vollständige und identische Kopie der Blockchain. Diese Architektur, die Kryptographie und ein verteiltes Netzwerk kombiniert, ermöglicht, dass Einträge, sobald sie einmal der Kette hinzugefügt wurden, nicht mehr verändert werden können, ohne dass dies für jedermann sichtbar wäre oder die Zustimmung aller Teilnehmer erfordern würde. Die Technologie verspricht dadurch Manipulationssicherheit, Nachvollziehbarkeit und Effizienz.
Ein weiteres Kernprinzip der Blockchain ist, dass keine vertrauenswürdige dritte Partei oder ein Intermediär (wie eine Bank oder ein Energieversorger als Vermittler) benötigt wird, um Transaktionen durchzuführen. Sie ermöglicht eine direkte Interaktion zwischen den Beteiligten. Oft wird Blockchain im Zusammenhang mit Bitcoin genannt. Es ist wichtig zu verstehen, dass Bitcoin lediglich der erste und bekannteste Anwendungsfall der Blockchain-Technologie war, die Blockchain selbst aber mehr ist als nur Kryptowährungen. Die Blockchain wird oft als die zugrundeliegende Technologie für das sogenannte Internet of Value (IoV) beschrieben, ein digitales Netzwerk für elektronische und automatisierte Transaktionen.
Die Technologie hat sich weiterentwickelt, von Blockchain 1.0 (Fokus auf Währungen) über Blockchain 2.0 (Fokus auf Verträge und komplexere finanzielle/kommerzielle Vorgänge, z.B. mit Smart Contracts wie bei Ethereum) bis hin zu Blockchain 3.0, die Anwendungen in vielen weiteren Bereichen wie Wissenschaft oder Behörden ermöglicht. Es gibt auch verschiedene Formen wie öffentliche (public) und private (private) sowie erlaubnisfreie (permissionless) und erlaubnisgebundene (permissioned) Blockchains.
Experten diskutieren noch den genauen Status und das Potenzial der Blockchain. Sie wird als potenziell disruptive Technologie mit grossem Potenzial angesehen, die bestehende Geschäftsmodelle effizienter gestalten oder sogar ersetzen könnte. Sie verspricht Vorteile wie Transparenz, Automatisierung, Sicherheit, Unveränderbarkeit, Effizienz und Geschwindigkeit. Gleichzeitig gibt es Herausforderungen in Bezug auf Technologie, Regulierung und Akzeptanz. Einige Experten sehen darin auch eine "soziale Innovation", da sie zu einer neuen Denkweise über Systeme ohne zentrale Kontrolle führt.
Welches sind die Vorteile von Blockchain für die Digitalisierung der Stromnetze?
Die Blockchain-Technologie, die oft als Basis für das Internet of Value (IoV) und ein dezentrales Kassenbuch (Distributed Ledger) verstanden wird, verspricht, die Art und Weise, wie Energie erzeugt, verteilt und gehandelt wird, grundlegend zu verändern. Die Kernvorteile sind Dezentralität, Sicherheit und Transparenz:
Wegfall von Mittelsmännern und direkte Interaktion.
Die Blockchain ermöglicht einen direkten und sicheren Austausch von Energie zwischen Verbrauchern und Erzeugern. Traditionelle Energieversorger oder Strombörsen als Zwischenhändler können umgangen werden, was eine direkte Interaktion zwischen den Beteiligten erlaubt. Dies ist besonders relevant in einer zunehmend dezentralen Energielandschaft mit vielen kleinen Erzeugern (Prosumern).
Kostensenkung.
Durch den Wegfall von Intermediären sinken die Transaktionskosten erheblich. Dies ist besonders attraktiv für kleine, dezentrale Energieerzeuger wie Betreiber von Solaranlagen auf Dächern, die ihren Strom direkt verkaufen können, ohne hohe Gebühren zahlen zu müssen. Die direkte Abwicklung von Stromlieferung und Bezahlung zwischen Anlagenbetreiber und Kunden führt zur Reduktion von Transaktionskosten.
Erhöhte Transparenz und Nachvollziehbarkeit.
Die Technologie erhöht die Transparenz der Transaktionen und somit des Marktes. Die gespeicherten Daten liegen verteilt auf vielen dezentralen Rechnern. Durch die dezentrale Struktur und Kryptographie sind Einträge manipulationssicher und nachträglich nicht mehr ohne Weiteres veränderbar. Dies ermöglicht eine eindeutige und transparente Nachweisbarkeit von Qualitätsmerkmalen des Stroms.
Sichere Herkunftsnachweise (HKN).
Die Blockchain kann Herkunftsnachweise für Ökostrom fälschungssicher, detaillierter und in Echtzeit nachvollziehbar machen. Sie kann belegen, dass eine bestimmte Menge Ökostrom tatsächlich erzeugt und eingespeist wurde. Ein digitaler Herkunftsnachweis verspricht, die Akzeptanz des Ausbaus erneuerbarer Energien und die Bereitschaft von Konsumierenden, sich bewusst für Ökostrom zu entscheiden, zu erhöhen, da sie genau wissen, woher ihr Strom stammt.
Erhöhte Sicherheit und Manipulationssicherheit.
Das System kann praktisch nicht ausfallen, da es auf vielen verteilten Knoten betrieben wird, nicht von einer zentralen Instanz. Die Kombination aus Informationstechnologie, Kryptographie und dezentralen Governance-Regeln macht die Technologie manipulationssicher.
Automatisierung und Effizienz.
Blockchain ermöglicht die Automatisierung von Transaktionen und Prozessen. Insbesondere in Kombination mit intelligenten Verträgen (Smart Contracts) können vorbestimmte Bedingungen automatisiert ausgeführt werden, was den Bedarf an Zwischenparteien zur Überprüfung reduziert. Dies kann zu effizienteren Abläufen im Strom- und Gasgrosshandel oder bei Zertifizierungen führen.
Vorteile für die Digitalisierte Energiewirtschaft und die Energiewende.
Förderung der Dezentralisierung: Die Blockchain unterstützt die notwendige Dezentralisierung der Energieversorgung. Sie ermöglicht es, den Strom von lokalen Erzeugern direkt an Verbraucher zu verkaufen und kann die Grundlage für neue, dezentrale Energiemärkte bilden.
Intelligentes Management im Verteilnetz.
Blockchains könnten als digitaler Kommunikationskanal für die Koordination zwischen Übertragungsnetz- und Verteilnetzebene genutzt werden. Sie können die Transparenz bei Regelenergieanforderungen verbessern und die Kommunikation zwischen den Netzbetreibern und Aggregatoren ermöglichen, was potenziell Engpässe oder Überlastungen im Verteilnetz vermeiden hilft.
Neue Geschäftsmodelle und Rolle des Verbrauchers.
Die Technologie ermöglicht die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle. Lokale Energie-Communities könnten ihren Strom selbst erzeugen und verteilen. Die Rolle des Verbrauchers kann sich vom passiven Abnehmer zum aktiven Teilnehmer am Energiemarkt wandeln.
Integration mit IoT und Smart Metern.
Die Kombination von Blockchain und Internet der Dinge (IoT) birgt grosses Potenzial. Smart Meter können Echtzeitdaten über Verbrauch und Erzeugung an die Blockchain übertragen, was eine präzisere Steuerung des Netzes und effizientere Nutzung erneuerbarer Energien ermöglicht. Anwendungsbeispiele umfassen die automatische Anpassung des Verbrauchs an das Angebot, Optimierung von Ladezeiten von Elektroautos oder dezentrale Steuerung von Batteriespeichern.
Beitrag zur Nachhaltigkeit.
Durch die Beschleunigung der Energiewende und die Förderung erneuerbarer Energien leistet Blockchain einen Beitrag zur Nachhaltigkeit. Sie fördert die dezentrale Energieerzeugung und eine effizientere Nutzung erneuerbarer Energien.
Welches sind die Risiken von Blockchain für die Digitalisierung der Stromnetze?
Obwohl die Blockchain-Technologie grosses Potenzial für die Energiewirtschaft aufweist, gibt es auch signifikante Risiken und Herausforderungen, die vor einer breiten Anwendung bewältigt werden müssen.
Die wesentlichen Risiken und Herausforderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Technologische Reife und Limitierungen.
Die Technologie wird als noch nicht ganz ausgereift angesehen.
Skalierbarkeit ist ein grosses Problem.
Es ist unklar, ob Blockchains Millionen von Transaktionen pro Sekunde verarbeiten können, was für eine Energiewirtschaft mit vielen kleinen Erzeugern und Verbrauchern nötig wäre. Bitcoin schafft beispielsweise nur 3-7 Transaktionen pro Sekunde, während der Spotmarkt bis zu 200 Trades pro Sekunde verarbeiten kann.
Es gibt noch keine ausgereiften Alternativen zu ressourcenraubenden Konsensmechanismen. Die Interoperabilität verschiedener Blockchain-Systeme ist fraglich. Die Komplexität der Technologie kann ein Hindernis sein. Die Asynchrone Verschlüsselung und potenzielle Attacken sind Schwachstellen, insbesondere bei öffentlichen Blockchains.
Hoher Energieverbrauch.
Ein zentraler Kritikpunkt ist der hohe Stromverbrauch bestimmter Blockchain-Protokolle. Insbesondere der Proof-of-Work (PoW) Mechanismus, wie er beim Bitcoin-Protokoll verwendet wird, erfordert eine enorme, über viele Computer verteilte Rechenleistung und verbraucht dadurch sehr viel Energie. Der prognostizierte jährliche Stromverbrauch von Bitcoin liegt zwischen 53-73 TWh, was dem Verbrauch Österreichs entspricht. Auch Ethereum hat einen hohen Verbrauch. Dies steht im Widerspruch zum Ziel einer ressourcenschonenden Energieversorgung. Zwar gibt es energieeffizientere Mechanismen wie Proof-of-Authority, aber das Problem besteht bei offenen, zentralen Blockchains.
Rechtliche und Regulatorische Unsicherheiten.
Der geltende Rechtsrahmen stellt eine grosse Herausforderung dar. Es ist unklar, wie Blockchain-Lösungen damit kompatibel sind. Insbesondere die Unveränderlichkeit der Transaktionshistorie steht im Widerspruch zu bestehenden rechtlichen Möglichkeiten, Verträge anzufechten oder rückabzuwickeln. Es fehlen klare rechtliche Rahmenbedingungen und Standards für die Anwendung von Blockchain im Energiesektor. Die regulatorische Compliance muss sichergestellt werden. Regulierungen werden als potenzieller "Blocker" für die Weiterentwicklung gesehen. Die Anpassung des Rechtsrahmens ist langsam. Es bedarf politischer Massnahmen, z.B. zur Einführung des "Prosumer" als legal definiertem Marktteilnehmer. Die Frage, wer Daten nachträglich ändern darf und unter welchen Voraussetzungen, ist rechtlich relevant. Die dezentrale Natur und das Fehlen einer zentralen Autorität in der Blockchain stehen im Konflikt mit staatlichen Strukturen und deren Gesetzen und Interessen.
Akzeptanz und Vertrauen.
Es ist eine grosse Herausforderung, das Vertrauen der Menschen zu gewinnen, da die Technologie komplex ist und viele sie nicht verstehen. Klare Kommunikation und Transparenz sind nötig. Die Blockchain eliminiert traditionelle Kontrollinstanzen und wird selbst zur Vertrauensinstanz. Die Frage ist, ob ein technisches System den Staat oder Finanzaufsichten als "vertrauenswürdigen Dritten" ersetzen kann. Der Ruf von Blockchain ist, teils durch negative Schlagzeilen im Zusammenhang mit Kryptowährungen und illegalen Aktivitäten (z.B. Silk Road, Wanna Cry), beeinträchtigt. Einige Experten und die Energiebranche reagieren noch verhalten auf die Technologie.
Kompatibilität und Integration.
Derzeit ist unklar, wie Blockchain mit dem heutigen zentralen Energiesystem der Schweiz kompatibel ist. Die Anwendung muss sich in der Praxis gegenüber erprobten zentralisierten Lösungen bewähren. Die Frage, ob der Mehrwert einer Blockchain ausserhalb von Kryptowährungen ausreicht, um sie effektiv und effizient einzusetzen, wird gestellt. Bestehende, bewährte Prozesse sind schwierig zu ersetzen. Gut etablierte technische Alternativen sind oft kostengünstiger und haben weniger Probleme. Es besteht die Gefahr der impliziten Zentralisierung, selbst in eigentlich dezentralen Systemen, z.B. durch Mining-Farmen bei Bitcoin. Die Dezentralisierung ist nicht überall wünschenswert (z.B. KYC, AML)
Sicherheit und Missbrauch.
Obwohl Blockchain als manipulationssicher gilt, kann die Pseudoanonymität auf öffentlichen Blockchains für kriminelle Zwecke missbraucht werden. Geldwäsche und Steuerhinterziehung werden kritischer. Die Sicherheit hängt vom verwendeten kryptografischen Verfahren ab. Es besteht das Risiko von Hackerangriffen. Probleme können auftreten, sobald alles mittels Blockchain umgesetzt wird, z.B. wer die Rechte durchsetzt, wenn zentrale Instanzen wie Polizei und Gerichte umgangen werden.
Wirtschaftliche und organisatorische Herausforderungen.
Die Branche reagiert verhalten. Es fehlen Erfahrungen und Standards. Die Einführung ist komplizierter als gedacht. Die Entwicklung neuer Geschäftsmodelle und die Anpassung traditioneller Modelle sind komplex. Es stellt sich die Frage, ob eine erlaubnisgebundene (permissioned) Blockchain sich wesentlich von einer verteilten Datenbank unterscheidet und ob die spezifischen Blockchain-Vorteile dann noch voll zum Tragen kommen.
Unterschiedliche Stromquellen und Produzenten, weniger Energie, aber mehr Strom.
Die Energiewende führt zu einem grundlegenden Umbau unseres Energiesystems. Weg von zentralen Grosskraftwerken und fossilen Brennstoffen, hin zu dezentralen, erneuerbaren Energiequellen wie Sonne und Wind. Gleichzeitig sorgt die Elektrifizierung von Mobilität und Wärme dafür, dass wir insgesamt zwar effizienter mit Energie umgehen und potenziell weniger Gesamtenergie benötigen, der Bedarf an Strom aber markant steigt. Diese Entwicklungen stellen die Digitalisierung der Stromnetze vor erhebliche Herausforderungen.
Früher floss der Strom hauptsächlich in eine Richtung: vom grossen, zentralen Kraftwerk zum Endverbraucher. Heute speisen immer mehr kleine, dezentrale Anlagen – wie Photovoltaikanlagen auf Dächern – Strom ins Netz ein. Dies führt zu einer Zunahme von Prosumern, also Verbrauchern, die auch produzieren und neuen Organisationsformen wie lokalen Elektrizitätsgemeinschaften.
Erneuerbare Energien wie Wind und Solar unterliegen natürlichen Schwankungen. Die Produktion ist weniger planbar und stark wetterabhängig. Dies erhöht die Komplexität und Volatilität des Gesamtsystems. Strom fliesst nicht mehr nur "von oben nach unten", sondern auch "von unten nach oben" ins Netz. Die Verteilnetze, historisch nicht primär für hohe Einspeisungen ausgelegt, geraten dadurch unter erhöhte Belastung und können überlasten. Der dezentrale Zubau erfordert Investitionen in die Verstärkung der Verteilnetze, um den produzierten Strom abtransportieren zu können. Die Koordination und Steuerung vieler kleiner Einspeisepunkte wird aufwendiger. Die Digitalisierung ist der Schlüssel, um diese Komplexität zu beherrschen. Sie ermöglicht Datenmanagement und -austausch: Die Erfassung und Verarbeitung grosser Datenmengen in Echtzeit ist notwendig, um den Netzzustand zu überwachen und zu steuern. Die Schaffung von Datenplattformen soll hierfür eine standardisierte Infrastruktur schaffen und den Datenzugang erleichtern.
Intelligente Messsysteme (Smart Meter): Smart Meter sind eine konkrete Umsetzung der Digitalisierung im Messwesen und ermöglichen eine präzisere, zeitlich hoch aufgelöste Erfassung von Verbrauch und Einspeisung (z.B. 15-Minuten- oder Stundenwerte). Sie sind entscheidend für das Management dezentraler Erzeugung und neuer Flexibilitäten. Intelligente Netze (Smart Grids) integrieren Informations- und Kommunikationstechnologien, um den Stromfluss besser zu steuern und die Netzauslastung zu optimieren. Prozesse im Verteilnetz müssen stärker automatisiert werden.
Digitalisierung ermöglicht Peer-to-Peer-Handel in lokalen Gemeinschaften, was den lokalen Austausch von selbst erzeugtem Strom fördern soll. Die Herausforderung für die Digitalisierung liegt hier in der Skalierbarkeit, das heisst in der Bewältigung der riesigen Datenmengen und Transaktionen von Millionen von Geräten, der Interoperabilität verschiedenster Systeme und Geräte, der Cybersecurity zum Schutz der kritischen Infrastruktur vor Angriffen und der Integration digitaler Lösungen in die bestehende, oft weniger digitalisierte Netzinfrastruktur.
Weniger Energie, aber mehr Strom.
Durch den Einsatz effizienterer Technologien wie LED-Beleuchtung, effizientere Kühlschränke oder optimierte Industrieprozesse könnte der Gesamtenergieverbrauch pro Dienstleistung sinken. Gleichzeitig wird der Umstieg von fossilen auf elektrische Anwendungen – die Dekarbonisierung – vorangetrieben. Die Haupttreiber für den steigenden Stromverbrauch sind die Elektromobilität (Elektroautos, Ladestationen) und die Elektrifizierung der Wärmebereitstellung (Wärmepumpen). Eine Wärmepumpe benötigt Strom, um ein Vielfaches an Wärme zu erzeugen. Elektroautos ersetzen Verbrennungsmotoren und erhöhen den Strombedarf. Dies führt dazu, dass insgesamt weniger fossile Energie, aber mehr Strom benötigt wird. Elektroautos, Wärmepumpen und stationäre Speicher sind flexible Verbraucher und Speicher, die zu bestimmten Zeiten hohe Leistung beziehen können. Wenn viele dieser Geräte gleichzeitig Strom beziehen (z.B. abends, wenn alle E-Autos geladen werden), können Lastspitzen entstehen, die das Netz stark belasten.
Sektorkopplung.
Die enge Verzahnung der Sektoren Strom, Wärme, Gas und Mobilität erhöht die Abhängigkeit voneinander und erfordert ein koordiniertes Management der jeweiligen Infrastrukturen. Die Digitalisierung ist unverzichtbar, um diese neuen Herausforderungen des steigenden Strombedarfs und der flexiblen Lasten zu meistern. Digitalisierung ermöglicht die intelligente Steuerung und Integration von Speichern, Elektroautos (inkl. bidirektionales Laden) und Wärmepumpen ins System. Automatisierte Anpassung des Verbrauchs und Optimierung von Ladevorgängen können Lastspitzen glätten.
Dynamische Tarife und Lastmanagement.
Zeitnahe Preissignale für Strom und dynamische Netznutzungstarife können Anreize für Endverbraucher schaffen, ihren Strombezug an der Netzbelastung auszurichten (Demand Side Management). Dies kann zukünftige Netzausbaukosten reduzieren.
Datenanalyse und Prognosen.
Die Analyse von Verbrauchsdaten ermöglicht bessere Prognosen und hilft, die Nachfrage zu flexibilisieren. Die Herausforderung für die Digitalisierung liegt hier in der Entwicklung und breiten Implementierung von Systemen zur intelligenten Steuerung flexibler Anlagen, der Integration dieser Systeme mit dem Netzbetrieb, und der Schaffung des notwendigen rechtlichen und regulatorischen Rahmens für dynamische Tarife und Flexibilitätsmärkte, der oft langsamer ist als die technologische Entwicklung.
Prosumer und die sich verändernde Rolle der Verbraucher.
Eine immer wichtigere Rolle in diesem Wandel spielen die sogenannten Prosumer. Dieser Begriff setzt sich aus „Produzent“ und „Konsument“ zusammen und bezeichnet Energieverbraucher, die gleichzeitig Energie produzieren. In der Regel handelt es sich dabei um Besitzer von Photovoltaik (PV)-Anlagen auf Dächern, die den selbst erzeugten Strom nutzen und Überschüsse speichern oder ins Netz einspeisen. Früher waren Energieverbraucher weitgehend passiv und beschränkten sich auf den Bezug von Strom aus dem zentralen Netz. Mit dem Aufkommen dezentraler Energiequellen wie PV-Anlagen und der Zunahme von Wärmepumpen und Elektromobilität verändern sich die Konsumenten zu aktiven Teilnehmern. Sie werden zu Prosumern, die Kontrolle über ihre Energieerzeugung und ihren Verbrauch übernehmen, um die Selbstversorgung zu maximieren. Sie können ihren Strom selbst erzeugen, speichern und nutzen, und überschüssige Energie verkaufen. Diese Entwicklung wird durch sinkende Kosten für PV-Anlagen und steigende Netzstrompreise wirtschaftlich attraktiv. Die rechtliche Dimension der Eigenversorgung hat in der EU bereits Einzug in Richtlinien gefunden, die Verbrauchern das Recht auf Eigenversorgung mit erneuerbaren Energien und die Speicherung von Überschüssen zugestehen.
Herausforderungen für die Stromnetze, insbesondere im Niederspannungsbereich.
Dieser Wandel vom passiven Verbraucher zum aktiven Prosumer stellt die Stromnetze, insbesondere das Niederspannungsnetz, vor grosse Herausforderungen. Historisch gesehen war das Niederspannungsnetz ein reines Verteilnetz ohne aktives Management, ausgelegt für einen stabil vorhersehbaren Energiefluss in eine Richtung. Mit dem exponentiellen Wachstum von PV-Anlagen, E-Mobilität und Wärmepumpen gibt es nun sehr hohe Spitzenleistungen, sowohl positive (Einspeisung) als auch negative (Bezug). Dies führt zu einem hohen Nachholbedarf in den Netzen in Bezug auf Messtechnik und Steuerung. Da die eingespeiste Strommenge und der Energiebedarf von Prosumern stark von Faktoren wie Wetter oder Ladeverhalten von E-Autos abhängen, sind sie weniger planbar. Gleichzeitig benötigen Prosumer weiterhin Strom vom Energieversorger für Zeiten, in denen ihre eigene Erzeugung nicht ausreicht. Dies erfordert, dass die Versorger entsprechende Kapazitäten für Erzeugung und Transport aufrechterhalten müssen, auch wenn diese weniger genutzt werden, was Kosten für alle Verbraucher verursacht. Zudem können lokale Zusammenschlüsse, wie Lokale Energiegemeinschaften (LEGs), die den Eigenverbrauch maximieren, kontraproduktiv wirken und Lastspitzen verstärken oder unkontrollierte Einspeisungen erzeugen, wenn sie nicht in eine übergeordnete Steuerung integriert werden.
Digitalisierung als notwendige Grundlage
Die Digitalisierung ist unerlässlich, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Das wachsende neue Energienetz setzt auf Digitalisierung. Smart Meter sind das Rückgrat eines modernen Energiesystems. Sie liefern detaillierte Daten, die Versorgern helfen, Engpässe frühzeitig zu erkennen und Prognosen der Netzauslastung zu erstellen. Ohne Smart Meter ist keine sinnvolle intelligente Steuerung von PV-Anlagen, E-Autos oder Wärmepumpen möglich. Für die Netzbetreiber ermöglichen Smart Meter die Messung der Netzbelastung von unten, was zur Reduzierung dieser Belastung beitragen kann.
Digitale Plattformen verändern Geschäftsmodelle und Dateninfrastrukturen stehen im Fokus, um Konsumenten besser einzubinden. Fundamentale Instrumente der Digitalisierung in der Energiewirtschaft sind Datenanalyse und Künstliche Intelligenz (KI). KI wird als wichtig für Energieversorgungsunternehmen betrachtet. Ein professionalisiertes Datenmanagement ist die Grundlage für digitale Innovationen. Das Bundesamt für Energie (BFE) begleitet und gestaltet diese digitale Transformation, analysiert Entwicklungen und unterstützt Innovationen, unter anderem im Bereich "Intelligente Netze". Eine nationale Smart Grid Roadmap dient als Fahrplan für die Weiterentwicklung der Netze mit digitalen Technologien, wobei der Einsatz von Smart Metern, Flexibilität und steuerbaren Netzelementen zentrale Punkte sind. Eine im neuen Stromgesetz verankerte «zentrale Datenplattform» soll den Austausch von Verbrauchs- und Produktionsdaten zwischen den Akteuren vereinfachen.
Die Digitalisierung ermöglicht Lösungen, um die Integration von Prosumern netzdienlich zu gestalten.
Intelligente Steuerung und Einspeisemanagement.
Die Fernsteuerung von PV-Anlagen kann gezielt bei Netzengpässen eingesetzt werden, um das Netz stabil zu halten und Netzausbau zu verhindern. Dabei geht es nicht um willkürliche, sondern um gezielte Eingriffe. Ein Einspeisemanagement für PV-Anlagen, das die Leistung begrenzt (z.B. auf 70%), wird von Experten als netzdienliches Verhalten bezeichnet. Obwohl umstritten, beträgt der tatsächliche Minderertrag für den Anlagenbesitzer nur wenige Prozent (z.B. 3-8%), während es Netzbetreibern ermöglicht, zusätzliche Anlagen anzuschliessen und Investitionen sowie Netzkosten zu reduzieren.
Datenanalyse und KI.
Detaillierte Daten von Smart Metern und professionelles Datenmanagement sind die Grundlage für digitale Innovationen. Datenanalyse und Künstliche Intelligenz (KI) sind fundamentale Instrumente der Digitalisierung. Das BFE beschäftigt sich mit der Nutzung von KI, und die Studie "Digital@EVU" legt einen spezifischen Fokus auf die Bedeutung und den Einsatz von KI für Energieversorgungsunternehmen. Diese Technologien helfen, Erkenntnisse aus Daten zu gewinnen und die Netzauslastung zu prognostizieren.
Digitale Plattformen und Dateninfrastruktur.
Digitale Plattformen verändern Geschäftsmodelle und Dateninfrastrukturen stehen im Fokus, um Konsumenten besser einzubinden. Eine im neuen Stromgesetz verankerte «zentrale Datenplattform» soll den Austausch von Verbrauchs- und Produktionsdaten zwischen den Akteuren vereinfachen. Transparenz und Kontrolle der Energieströme, des Verbrauchs und der Erzeugung sind für Prosumer entscheidend und werden durch digitale Schnittstellen über Web- und mobile Anwendungen ermöglicht.
Netzdienliches Verhalten.
Durch Digitalisierung kann netzdienliches Verhalten gefördert werden. Dazu gehört beispielsweise die Begrenzung der Einspeiseleistung von PV-Anlagen, was laut Experten Netzausbaukosten reduziert. Der tatsächliche Ertragsverlust für den Anlagenbesitzer durch eine solche Begrenzung ist gering.
Sektorenkopplung.
Die optimierte Nutzung von lokal erzeugtem Strom durch Sektorenkopplung (z.B. für Wärme oder E-Mobilität) wird durch Digitalisierung unterstützt.
Integration von LEGs.
Digitale Steuerungssysteme können LEGs in das Gesamtsystem integrieren, um netzdienliches Verhalten zu fördern.
Virtualisierung.
Viele kleine Stromerzeuger können zu einem «virtuellen Kraftwerk» zusammengefasst werden.
Standardisierung.
Einheitliche Schnittstellen (z.B. mit dem SmartGridready-Label) sind notwendig, damit die Komponenten des Netzes miteinander kommunizieren können.
Cyber Security und Resilienz.
Mit zunehmender Vernetzung wird der digitale Schutzschild und die Resilienz der Systeme integral.
Flexibilität und Speicher.
Prosumer mit Energiespeichern (sog. "prosumage") können netzdienliche Leistungen erbringen. Speicherstauseen und Pumpspeicherkraftwerke werden in einem Smart Grid ebenfalls an Wichtigkeit gewinnen. Viele kleine Stromerzeuger können zudem zu einem «virtuellen Kraftwerk» zusammengefasst werden.
Die Einbindung von Prosumern in digitale Netze bringt zahlreiche Vorteile. Gezielte Steuerung hilft, das Netz stabil zu halten. Netzdienliches Verhalten und intelligente Steuerung können teuren Netzausbau vermeiden oder reduzieren. Reduzierter Netzausbau hält die Netzkosten tief. Die Nutzung eigenen Stroms sorgt für langfristig planbare Energiekosten für Prosumer. Optimierte Nutzung von Prosumer-Strom treibt innovative Geschäftsmodelle und Technologien voran. Jede lokal erzeugte und genutzte Kilowattstunde vermeidet Erzeugung und Transport aus fossil befeuerten Kraftwerken.
Die zunehmende Rolle der Prosumer ist ein wesentlicher Treiber der Energiewende. Sie verändern die Struktur der Stromnetze und stellen neue Anforderungen an deren Management. Die Digitalisierung ist dabei nicht nur ein Instrument zur Effizienzsteigerung, sondern eine fundamentale Notwendigkeit, um die Integration dezentraler Erzeugung und neuer Lasten zu ermöglichen, die Netzstabilität zu gewährleisten und teuren Netzausbau zu reduzieren. Smart Meter, Dateninfrastrukturen, KI und intelligente Steuerungssysteme sind Schlüsseltechnologien, um aus den Herausforderungen Chancen zu machen und die Energiewende erfolgreich zu gestalten.
Welches sind die Grundlagen und Datenbasis für Netzmodelle und Simulation?
Das starke Wachstum dezentraler Erzeugung und neuer Verbraucher wie E-Autos und Wärmepumpen stellt die Stromnetze, insbesondere die Verteilnetze, vor grosse Herausforderungen. Um diese zu meistern und das Netz sicher und effizient zu betreiben sowie zukunftsfähig zu planen, sind genaue Netzmodelle und Simulationen unerlässlich. Doch auf welchen Grundlagen basieren diese Modelle, und welche Daten speisen sie? Netzmodelle und Simulationen sind entscheidende Werkzeuge für das strategische Netzmanagement in Zeiten zunehmender Dezentralisierung und Datenmengen. Sie ermöglichen es, die Auswirkungen neuer Anlagen zu verstehen und die Wechselwirkungen im Netz besser zu begreifen.
Die Grundlagen sind:
Abbildung der Netzinfrastruktur.
Modelle müssen die technische Infrastruktur des Stromnetzes abbilden, einschliesslich Leitungsstrukturen, Anlagen und Betriebsmittel. Dies umfasst verschiedene Spannungsebenen, vom Höchstspannungs-Übertragungsnetz bis zu typischen Niederspannungs-Verteilnetzen in Wohngebieten.
Modellierung von Verhalten und Interaktionen.
Modelle berücksichtigen das Verhalten von Erzeugungsanlagen, Verbrauchern und Speichern sowie deren dynamische Wechselwirkungen mit dem Netz. Dies ist entscheidend, um die Einflüsse dezentraler Systeme zu analysieren.
Statische und dynamische Modelle.
Für unterschiedliche Analysen sind sowohl statische als auch dynamische Modelle notwendig. Statische Modelle wie in NEPLAN ermöglichen die Berechnung von Lastflüssen, Kurzschlussleistungen und Spannungsverläufen im Normal- und Störfallbetrieb. Dynamische Modelle, oft als "Digital Twin" bezeichnet, ermöglichen die Simulation des Netzwerks, die Erkennung von Engpässen, die Gewährleistung der Versorgungssicherheit und die Reaktion auf Störfälle im aktuellen Betriebszustand durch Integration von Echtzeitdaten.
Analysen und Szenarien.
Die Modelle dienen als Basis für diverse Analysen, darunter Lastflusssimulationen, quasi-dynamische Zeitreihenberechnungen und transient-dynamische Kurzzeitstudien. Sie ermöglichen Szenarioanalysen zur Bewertung zukünftiger Netzanforderungen und zur Ableitung von Strategien für die Netzentwicklung.
Modellierung aller Spannungsebenen.
Um ein umfassendes Bild zu erhalten, müssen Modelle alle Spannungsebenen detailliert abbilden und eine Kombination über die Spannungsebenen hinweg ermöglichen.
Intelligente Steuerung und Betriebsmittel.
Die Modelle berücksichtigen auch den Einsatz intelligenter Betriebsmittel wie regelbarer Ortsnetztransformatoren (rONT) und das Potenzial von Lastreduktionen und -verschiebungen durch intelligente Gebäudeautomation.
Die Datenbasis für Netzmodelle und Simulationen.
Die Qualität und Genauigkeit der Netzmodelle und Simulationen hängen massgeblich von der zugrundeliegenden Datenbasis ab. Zentrale Datentypen und -quellen sind:
Geografische Daten.
Ein Geoinformationssystem (GIS) ist essenziell und dient als führendes System für viele Daten, die in der Netzsimulation benötigt werden. Es dokumentiert und stellt geografisch verortete Daten dar, indem es technische Anlagen, Betriebsmittel und Leitungsstrukturen präzise auf einer digitalen Karte abbildet.
Sachdaten der Netzkomponenten.
Neben der geografischen Position führen GIS-Systeme zahlreiche Sachdaten mit, die für die Modellierung relevant sind. Dazu gehören Leitungslängen, Querschnitte, Spannungsebenen und Betriebszustände der Netzkomponenten.
Verbrauchs- und Erzeugungsdaten.
Detaillierte und möglichst realistische Daten über das Verbrauchs- und Erzeugungsverhalten der Kunden sind entscheidend. Dies umfasst Lastprofile, Daten von dezentraler Erzeugung (z.B. PV-Anlagen), Speichern, Wärmepumpen und E-Mobilität. Neue Messtechniken wie Phasor Measurement Units (PMU) sind notwendig, um die Netzqualität trotz zunehmender "Verschmutzung" durch PV-Strom zu überwachen und das Netzgeschehen zu analysieren.
Echtzeitdaten.
Die Integration von Echtzeitinformationen, beispielsweise aus Smart Metern oder Sensorik, ist für dynamische Modelle (Digital Twins) und die Simulation des aktuellen Betriebszustands unerlässlich. Smart Meter liefern detaillierte Daten, die für Netzauslastungsprognosen und intelligentes Management notwendig sind (basierend auf vorheriger Konversation).
Netztopologien und –eigenschaften.
Daten über die tatsächliche Topologie (Anordnung und Verbindungen) der Netze sind von grosser Bedeutung. Realistische Modelle basieren auf digitalen Modellen echter Netze und deren spezifischen Eigenschaften. Studien zeigen, dass synthetische Modelle, die von homogenen Netzen und Kundenverhalten ausgehen, zu falschen Schlussfolgerungen führen können.
Historische Daten und Szenarien.
Vergangenheitsdaten sowie Daten aus definierten Zukunftsszenarien (wie NEP-2035 oder Zielnetz 2045) sind wichtig für die Planung und die Durchführung von Szenarioanalysen.
Softwarelösungen für das Datenmanagement.
Spezialisierte Softwarelösungen wie DIgSILENT PowerFactory, NEPLAN, MATLAB/Simulink und PSS®SINCAL werden für die Erstellung und Analyse von Netzmodellen eingesetzt. Mit der wachsenden Datenmenge sind professionelles Datenmanagement und die Entwicklung von Methoden zur Datenanalyse und -visualisierung von zunehmender Bedeutung. Intelligente Algorithmen werden bereits eingesetzt, um grosse Datenmengen automatisch zu verarbeiten und beispielsweise Netzkapazitäten zu berechnen.
Wofür genau werden diese Modelle und Simulationen hauptsächlich eingesetzt? Netzmodelle sind die essenzielle Grundlage für die präzise Netzplanung. Sie ermöglichen es Netzbetreibern, den zukünftigen Netzausbaubedarf realistisch abzuschätzen.
Netzplanung und -entwicklung.
- Die Durchführung von Lastflusssimulationen und Szenarioanalysen, um die Auswirkungen des Zubaus von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen und Ladestationen auf das Netz zu bewerten.
- Die Evaluierung und Prüfung von Netzerweiterungen sowie Anschlussgesuchen neuer Anlagen.
- Die Ableitung von Strategien für die zukünftige Netzentwicklung.
- Die Identifizierung von geeigneten Trassenverläufen für neue Leitungen unter Berücksichtigung verschiedener Akteursinteressen, unterstützt durch Systeme wie das 3D Decision Support System.
- Die Bestimmung von Planungskriterien und optimalen Netztopologien, beispielsweise für hybride AC-/DC-Netze.
- Das Verhindern von überdimensioniertem Netzausbau und stattdessen eine bedarfsgerechte Planung. Studien zeigen, dass Modelle realer Netze erforderlich sind, da synthetische Modelle, die von homogenen Strukturen ausgehen, zu falschen Schlussfolgerungen über den Netzausbaubedarf führen können.
Netzbetrieb und Systemstabilität.
- Modelle und Simulationen sind entscheidend für den sicheren und effizienten Betrieb des Stromnetzes. Besonders dynamische Modelle, oft als "Digital Twins" bezeichnet, ermöglichen dies:
- Überwachung, Analyse und Optimierung von Betriebsabläufen in Echtzeit.
- Simulation möglicher Störfälle im aktuellen Betriebszustand zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit.
- Erkennung von Engpässen im Netz.
- Gewährleistung der Netzstabilität, insbesondere in einem System mit zunehmendem Anteil an Leistungselektronik von erneuerbaren Energien und Speichern.
- Integration der Flexibilität dezentraler Ressourcen wie Batterien, Wärmepumpen und Ladestationen, um auf wechselnde Anforderungen des Stromnetzes zu reagieren und zur Stabilität und Effizienz beizutragen (TSO-DSO Coordination).
- Überwachung und Analyse der Netzqualität, insbesondere bei zunehmender "Verschmutzung" durch Strom aus Photovoltaikanlagen, die durch neue Messtechniken wie Phasor Measurement Units (PMU) unterstützt wird.
- Schnellere und bessere Entscheidungen im Betrieb durch die Visualisierung von Daten zum aktuellen Netzzustand.
- Unterstützung bei der Entwicklung von Strategien für den Notfall oder Systemausfälle.
Bewertung neuer Technologien und Strategien.
- Modelle werden eingesetzt, um das Verhalten von Erzeugungsanlagen, Verbrauchern und Speichern sowie deren Wechselwirkungen im Netz zu verstehen und zu modellieren. Die Auswirkungen des Einsatzes intelligenter Betriebsmittel wie regelbarer Ortsnetztransformatoren (rONT) auf den Netzausbaubedarf können simuliert und bewertet werden. Realitätsnahe Modelle sind hierfür wichtig, da Studien zeigen, dass synthetische Modelle das Potenzial von rONT überschätzen können:
- Das Potenzial von Lastreduktionen und -verschiebungen durch intelligente Gebäudeautomation kann analysiert werden, um den Netzausbaubedarf zu vermindern. Die Integration von Flexibilitätsangeboten und die Entwicklung von Geschäftsmodellen im Rahmen der TSO-DSO-Koordination werden durch Simulationen und Pilotprojekte getestet.
- Simulationen ermöglichen die Analyse komplexer Sektorkopplungsansätze (z.B. Power-to-Gas) und das Potenzial von Energiespeichern und Lastmanagement.
- Sie unterstützen die Erforschung und Entwicklung von Innovationen bei Netzbetriebsmitteln und Anlagentechnik.
Forschung und Entwicklung.
- Netzmodelle und Simulationen sind zentrale Werkzeuge in der Energieforschung:
- Sie dienen als Basis für diverse Studien, Experimente (z.B. Hardware-in-the-Loop) und die Entwicklung neuer Methoden.
- Wissenschaftler nutzen Modelle und Systemanalysen, um die Systemstabilität zu bewerten und die Versorgungssicherheit zu prüfen und zu optimieren.
- Sie ermöglichen die Erforschung von Themen wie dynamische Netzregelung und Leistungselektronik.
Netzmodelle und Simulationen sind entscheidende Instrumente sind, um die Komplexität des sich wandelnden Stromnetzes zu beherrschen. Sie liefern die notwendige Transparenz und Entscheidungsgrundlage, um das Netz vorausschauend zu planen, sicher zu betreiben, neue Technologien zu integrieren und letztlich die Ziele der Energiewende zu erreichen. Die Qualität dieser Modelle hängt dabei stark von einer umfassenden und präzisen Datenbasis ab, deren Management eine wachsende Bedeutung hat.
Wofür werden digitale Zwillinge eingesetzt?
Ein digitaler Zwilling ist eine virtuelle Kopie des Stromnetzes oder einzelner Anlagen, die mit Geodaten und realen Betriebsdaten verknüpft ist, idealerweise in Echtzeit. Diese virtuelle Kopie kann dazu dienen, das Stromnetz mit bis zu 2’000 Knoten im Modell nachzubilden und sein Verhalten zeitlich hochaufgelöst zu testen. Es lassen sich Lastflüsse im Verteilnetz detailliert darstellen und geplante Änderungen oder die Belastbarkeit des Netzes simulieren. Auch die Auswirkungen eines zunehmenden Ausbaus von PV-Anlagen, Batteriespeichern, Wärmepumpen und Ladeinfrastruktur können simuliert werden. Dies ermöglicht auch die Simulation kritischer Netzsituationen, ohne das reale Stromnetz zu gefährden.
Sie ermöglichen Netzbetreibern ein besseres Verständnis darüber, wie das Netz aktuell ausgelastet ist und was im Netz passiert. Sie liefern Informationen darüber, wo Handlungsbedarf besteht, zum Beispiel für Verstärkungsmaßnahmen. Ein vollständiges, lebendiges Netzmodell erlaubt beispielsweise, auf Abruf freie Kapazitäten für den Anschluss weiterer Erzeugungsanlagen zu ermitteln. Digitale Zwillinge werden auch zur Optimierung des Netzbetriebs und zur Erleichterung der kurz- und langfristigen Netzplanung eingesetzt. Sie ermöglichen es Netzbetreibern, ihre Netzinfrastruktur besser zu verstehen, zu planen und zu betreiben. Die Ergebnisse aus Simulationen fliessen in die Netzplanung und -steuerung ein. Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Planung des Netzausbaus. Man kann die Netze gezielt dort verstärken, wo es wirklich notwendig ist.
Ein digitaler Zwilling ermöglicht Prozessdigitalisierung und Prozessautomatisierung. Er dient als Grundlage für die Automatisierung von einzelnen Schritten bei Prozessen wie der Anschlussprüfung, die Netzsimulationen automatisiert durchführen kann. Ein rechenfähiges, digitales und stets aktuelles Netzmodell ist Voraussetzung dafür. Mit einem digitalen Zwilling gibt es eine einheitliche Entscheidungsgrundlage. Das Netzmodell steht online zur Verfügung und wird dauerhaft aktualisiert, wenn es Veränderungen gibt. Dadurch werden alle Entscheidungen im Netzbetrieb auf derselben Datenbasis getroffen. Dies ersetzt in manchen Fällen lokal erstellte, unterschiedliche Netzmodelle.
Digitale Zwillinge können zur Zustandsüberwachung und vorausschauenden Wartung einzelner Betriebsmittel wie Transformatoren eingesetzt werden. Sie können dabei helfen, die Widerstandsfähigkeit gegen Störungen und Ausfälle zu verbessern sowie Ausfälle von Anlagen vorherzusagen. Für die Erstellung und Nutzung eines digitalen Zwillings ist die Sammlung und Integration von Daten aus verschiedenen Quellen essenziell, darunter Netztopologie, Geodaten, betriebsmittelspezifische Daten und Informationen über Netzteilnehmer aus Systemen wie GIS, BIS, ERP, SCADA und Meter-Data-Management-Systemen (MDM) von Smart Metern. Auch die Auswertung dieser riesigen Datenmengen, oft mit Künstlicher Intelligenz, ist Teil der Nutzung.
Der Einsatz digitaler Zwillinge kann die Effizienz im Netzbetrieb steigern und Kosten bei der Planung, im Bewilligungsprozess von Anschlussgesuchen sowie im Betrieb und Unterhalt reduzieren. Er unterstützt das NOVA-Prinzip (Netzoptimierung vor Netzverstärkung vor Netzausbau) und hilft, den teuren physischen Netzausbau zu minimieren. Er ermöglicht eine präzisere, wirtschaftlichere Planung. Digitale Zwillinge können helfen, den Einsatz von Energiespeichern im Netz zu optimieren, neue Regelungsalgorithmen und Betriebsstrategien zu erproben und netzdienliches Verhalten durch Simulationen zu unterstützen.
Einsatz von IoT Technologien im digitalen Stromnetz.
Das Internet der Dinge (IoT), auch "Internet of Things" genannt, bezeichnet die Vernetzung eines Gegenstands mit seiner digitalen Identität. Es wird als die grösste Computerrevolution beschrieben und wird voraussichtlich alle Branchen durchdringen. Im Kern handelt es sich um ein riesiges Netzwerk vernetzter Geräte, Maschinen und Objekte. Das Konzept basiert auf der direkten Kommunikation zwischen (End-)Geräten, was auch Alltagsgegenstände einschliesst. Technisch funktioniert es so, dass dank dieser Vernetzung ein Objekt über ein drahtloses Kommunikationssystem wie Wifi oder Bluetooth identifiziert wird.
Moderne vernetzte Produkte unterscheiden sich von früheren primär durch die Integration von Sensoren, Softwarelogik und Netzwerkkomponenten. Sensoren können je nach Verwendungszweck verschiedene Umgebungsparameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Bewegungen oder den Standort erfassen, messen und überwachen. Diese vernetzten Geräte ermöglichen es, Daten zu sammeln, zu übertragen und auf deren Inhalt zu reagieren, oft ohne direkte menschliche Interaktion. Sie erzeugen eine grosse Menge an strukturierten Daten, die zu Analyse- und Optimierungszwecken verwendet werden können. Damit ist das IoT einer der grössten Lieferanten von Big Data.
Beispiele für IoT-Geräte umfassen Smart Watches, Babyphones, Fernseher, Kühlschränke, Industriemaschinen, Autos, tragbare Geräte und Infrastrukturkomponenten. Fast alles scheint heutzutage mit einer "App" ausgeliefert zu werden. Die Technologie entwickelt sich rasant: Prognosen gingen davon aus, dass bis 2023 weltweit über 35 Milliarden und bis 2025 fast 42 Milliarden vernetzte "Dinge" an der Edge des IoT im Einsatz sein werden. Ericsson schätzte 2021, dass bis 2027 rund 30,2 Milliarden IoT-Objekte mit dem Internet verbunden sein könnten.
Diese Technologie treibt tragfähige Verbesserungen bei Effizienz und Funktionalität voran und kann die Effizienz in allen Branchen steigern und das Kundenerlebnis verbessern. Ein Stück weit verbindet das Internet der Dinge künstliche Intelligenz mit der realen Welt. Das IoT hat sich bereits in vielen Bereichen durchgesetzt und ist aus diesen nicht mehr wegzudenken, darunter Smart Buildings, im Verkehrswesen, in Smart Citys, in der Fertigung, in der Landwirtschaft, in der Automobilindustrie und im Gesundheitswesen. Es schafft einen Mehrwert für die Wirtschaft, die Kunden und die Gesellschaft.
Wie kann IoT bei der Digitalisierung der Stromnetze eingesetzt werden?
Ein Smart Grid ist ein intelligentes Energienetz, das eine kommunikative Vernetzung und Steuerung aller Akteure des Strommarkts ermöglicht, einschliesslich Energieerzeugern, Energiespeichern und Energieverbrauchern. Es wird oft auch als "Internet der Energie" bezeichnet. Das "Intelligente" an den heutigen, IoT-gestützten Energienetzen wird durch Kommunikationstechnologie und Konnektivität ermöglicht. Die Technologien, die dies antreiben, umfassen drahtlose IoT-Geräte wie Sensoren, Funkmodule, Gateways und Router. Diese Geräte stellen die ausgeklügelte Konnektivität und Kommunikation sicher, die für die Digitalisierung des Netzes notwendig ist. Die konkreten Einsatzbereiche von IoT-Geräten im Rahmen der Digitalisierung der Stromnetze und die daraus resultierenden Vorteile umfassen:
Smarte Energieverbrauchsmessung (Smart Metering) & Transparenz.
Intelligente Zähler (Smart Meter) ersetzen alte Zähler und sind eine Voraussetzung für Smart Grids. Sie ermöglichen die Erfassung von Energieverbrauchsdaten in Echtzeit. Diese Daten liefern detaillierte Informationen über den Verbrauch. Dies hilft Energieversorgern, ihre Dienstleistungen besser auf Kundenbedürfnisse abzustimmen, und ermöglicht Verbrauchern, ihren Verbrauch über Apps oder Dashboards zu überwachen und zu analysieren. Das Verständnis des Verbrauchs kann zu gezielten Energiesparmassnahmen und Optimierung anregen. Für Verbraucher bedeutet dies eine effizientere Abrechnung – sie bezahlen für den Strom, den sie zu Zeiten hoher Preise verbrauchen, und sparen, wenn sie weniger verbrauchen. Dies schafft einen Anreiz für verantwortungsvolle Energienutzung.
Automatisierte Laststeuerung und Effizienzsteigerung.
Durch die Vernetzung von Geräten wie Haushaltsgeräten, Heiz-/Kühlsystemen oder Elektrofahrzeugen können Energieversorger den Verbrauch in Echtzeit überwachen und steuern. Dies ermöglicht es, den Verbrauch zu Spitzenlastzeiten automatisch zu reduzieren oder auf erneuerbare Energiequellen umzuschalten, um das Stromnetz stabil zu halten und Engpässe zu vermeiden. IoT-ermöglichte Automatisierungen können den Energieverbrauch in industriellen Prozessen und im Gebäudemanagement signifikant reduzieren. In Smart Buildings optimieren Sensoren für Temperatur, Licht oder Luftqualität die Energieeffizienz, z.B. durch automatische Steuerung von Beleuchtung oder Heizung.
Energiemanagement in Gebäuden.
Sensoren erfassen Daten über Raumtemperatur, Beleuchtung oder Luftqualität, um die Energieeffizienz zu optimieren, z. B. durch automatische Steuerung von Licht oder Heizung/Kühlung. IoT-ermöglichte Automatisierungen können den Energieverbrauch im Gebäudemanagement signifikant reduzieren.
Integration erneuerbarer Energien.
Das IoT ermöglicht die Vernetzung dezentraler erneuerbarer Energiequellen wie Solaranlagen oder Windparks mit dem Stromnetz. Smarte Technologien können den Energiebedarf prognostizieren und die erneuerbare Energieproduktion entsprechend steuern, um eine optimale Nutzung der grünen Energiequellen zu gewährleisten. Smart Grids sind, im Gegensatz zu traditionellen Netzen, dafür ausgelegt, Strom von Haushalten und Unternehmen einzuspeisen, die selbst Strom erzeugen. IoT-Geräte (wie Smart Meter) können die erzeugte Energie verfolgen und eine entsprechende Vergütung ermöglichen.
Proaktive Wartung und schnellere Fehlererkennung/-behebung.
Das IoT ermöglicht die Fernüberwachung und Diagnose von Energieinfrastrukturen wie Stromnetzen, Transformatorstationen oder anderen Anlagen. Sensoren und Datenanalyse-Algorithmen können den Zustand kontinuierlich überwachen. Dies ermöglicht die frühzeitige Erkennung potenzieller Probleme, optimiert Wartungsarbeiten und minimiert Ausfälle. Anstatt Servicemitarbeiter bei jedem Ausfall zu schicken, können IoT-Geräte in Transformatoren oder Umspannwerken bei einem Ausfall den Strom automatisch umleiten, was eine schnellere und einfachere Behebung ermöglicht. IoT-Sensoren können auch den Zustand von Geräten melden, sodass Reparaturen vor einem Ausfall durchgeführt werden können.
Effizientes Netzmanagement.
IoT-Geräte verbessern die Überwachung und Steuerung des Stromnetzes in Echtzeit, erkennen Engpässe, gewährleisten die Netzstabilität und optimieren die Lastverteilung sowie die Effizienz der Energieübertragung. Die bidirektionale Datenkommunikation ist hierfür entscheidend.
Predictive Analytics und bessere Vorhersagen.
Die grossen Mengen an strukturierten Daten, die von IoT-Geräten erzeugt werden (IoT ist ein grosser Lieferant von Big Data), können analysiert werden, um den Energiebedarf in verschiedenen Sektoren vorherzusagen. Diese Prognosen ermöglichen eine effizientere Energieerzeugung und -verteilung, eine bessere Planung der Ressourcen und die Vermeidung von Engpässen und Überkapazitäten.
Verbesserte Widerstandsfähigkeit (Resilienz).
Ein intelligenteres Stromnetz wird widerstandsfähiger gegen Notfälle wie Stürme, Erdbeben oder Angriffe. Die bidirektionale Interaktion ermöglicht eine automatische Umleitung, wenn Geräte oder Netzteile ausfallen. Die dezentrale Energieerzeugung, die durch Smart Grids/IoT ermöglicht wird, macht das System robuster, da alternative Quellen ein zentrales Kraftwerk ersetzen können, was es schwieriger macht, das gesamte System lahmzulegen. Stromausfälle kosten Unternehmen in den USA geschätzt $150 Milliarden pro Jahr; Smart Grids können diese Kosten durch schnellere Behebung minimieren. Versorgungsunternehmen können Kunden proaktiv über Ausfälle informieren, anstatt nur auf Anrufe zu reagieren.
Kundenbeteiligung und Bewusstsein.
IoT-gestützte Energieüberwachung ermöglicht es Verbrauchern, aktiv am Energiemanagement teilzunehmen. Sie erhalten Einblicke in ihren Energieverbrauch, können Energieeffizienzmassnahmen ergreifen und ihren Beitrag zur Energiewende leisten. Sie können ihren Verbrauch überwachen, Energiesparziele setzen und individuelle Empfehlungen erhalten. Dies steigert das Bewusstsein für Energieeffizienz und schafft eine engere Beziehung zwischen Kunden und Versorgern.
Neue Geschäftsmodelle und Innovation.
Das IoT eröffnet neue Möglichkeiten für innovative Geschäftsmodelle in der Energiewirtschaft. Energieversorger können beispielsweise intelligente Energiepakete anbieten oder neue Marktakteure wie Energieaggregatoren können entstehen, die den Handel zwischen dezentralen Erzeugern und Verbrauchern erleichtern.
Kosteneinsparungen.
Neben Stromeinsparungen durch optimierten Verbrauch und Effizienz, können auch Betriebskosten gesenkt werden. Smarte Technologien ermöglichen beispielsweise die Fernbehebung von Problemen bei Strassenlaternen, anstatt immer einen Lastwagen schicken zu müssen, was ein sehr teures Unterfangen ist.
Die Stadtwerke spielen eine wichtige Rolle bei der Umsetzung und Nutzung von IoT in der Energiewirtschaft, indem sie IoT-Geräte in ihre bestehende Infrastruktur integrieren, Smart Meter einsetzen, das Kundenengagement fördern und Energiedaten verwalten. Durch den Einsatz von IoT-Technologien können Stadtwerke ihre Dienstleistungen verbessern und eine nachhaltigere Energieversorgung ermöglichen. Durch die Vernetzung von Geräten, die Sammlung und Analyse von Echtzeitdaten sowie die Ermöglichung von Überwachung, Steuerung und Automatisierung werden Stromnetze zu intelligenten, wesentlich effizienteren, stabileren, widerstandsfähigeren und nachhaltigeren Systemen. Dies bringt Vorteile für Verbraucher, Unternehmen, Versorgungsunternehmen und die Umwelt.
Gibt es Risiken mit IoT bei der Digitalisierung der Stromnetze?
Das Internet der Dinge (IoT) bietet nicht nur Vorteile sondern auch signifikante Risiken und Herausforderungen im Bereich der Sicherheit. Die Vernetzung einer riesigen und ständig wachsenden Anzahl von Geräten erhöht grundsätzlich die Anfälligkeit für Cyber-Angriffe. Je mehr Geräte und Systeme miteinander verbunden werden, desto grösser wird die potenzielle Angriffsfläche. Da das IoT in immer relevantere Lebens- und Arbeitsbereiche vordringt, einschliesslich kritischer Infrastrukturen wie Stromnetze, können zuvor rein digitale Bedrohungen über vernetzte Geräte die reale Welt erreichen und schwerwiegende Auswirkungen im Schadensfall haben.
Systeme im Rahmen von Smart Grids sind potenzielle Ziele für Cyber-Angriffe. Cyber-Angriffe auf kritische Infrastrukturen wie Stromnetze, Transportsysteme oder Wasseraufbereitungsanlagen sind ein konkretes Risiko. IoT-Geräte, einschliesslich smarter Stromzähler, können eine Fülle von Daten speichern. Es besteht das Risiko von Datenschutzverletzungen, Identitätsdiebstahl, unbefugter Überwachung oder Manipulation personenbezogener Daten. Datensicherheit und der Schutz der Privatsphäre sind wichtige Anliegen geworden. Daten müssen sicher gespeichert (Verschlüsselung im Ruhezustand) und die Übertragung gesichert werden (Verschlüsselung während der Übertragung).
Sicherheit und Privatsphäre müssen von Anfang an ("Security by Design") in IoT-Systeme integriert werden, da das Hinzufügen im Nachhinein eine grosse Herausforderung darstellt. Oft wird Funktionalität und schnelle Markteinführung vor Sicherheit gestellt. Sicherheit muss durchgängig ("end-to-end") angewendet werden, vom IoT-Gerät über die Edge bis hin zum Cloud-Back-End und den Analyse-Applikationen. IoT-Geräte verfügen oft über begrenzte Energiebudgets und Rechenleistung, was zusätzliche Herausforderungen für die zu verwendenden kryptografischen Verfahren darstellt. Dies erschwert auch Schwachstellenmanagement und das Einspielen von Sicherheitspatches und -updates.
Physische Sicherheitsrisiken: Obwohl im Kontext von Stromnetzen weniger direkt relevant, erwähnen die Quellen auch das Risiko des unbefugten Zugriffs auf Systeme vernetzter Autos als Beispiel für physische Sicherheitsrisiken durch IoT.
Sicherheit ist eine der grössten Herausforderungen bei der Verwirklichung des IoT und eine wesentliche Voraussetzung für das Vertrauen und die Akzeptanz der Technologie. Die zunehmende Vernetzung im Zuge der Digitalisierung der Stromnetze macht diese Systeme anfälliger für Cyber-Bedrohungen, die potenziell kritische Infrastrukturen beeinträchtigen und weitreichende reale Auswirkungen haben können. Das Management dieser Risiken erfordert proaktive Sicherheitsmassnahmen von der Entwicklung bis zum Betrieb.
Einsatz künstlicher Intelligenz bei der Digitalisierung der Stromnetze.
Das Potenzial von KI zur Revolutionierung des Stromnetzes ist beträchtlich. Laut dem ExpertInnenbericht des Projekts "Data4Grid" der Deutschen Energie-Agentur (dena), das den Einsatz von KI und Datenanalyse in Stromverteilnetzen untersuchte, kann KI einen effizienteren und zuverlässigeren Betrieb ermöglichen. Das Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) hat im Rahmen des "Data4Grid"-Projekts ein wissenschaftliches Gutachten zu Datenanalyse und KI im Stromverteilnetz erstellt, das die potenziellen Vorteile und Risiken umfassend analysiert.
Konkret kann KI auf verschiedene Weise eingesetzt werden, um das Stromnetz zukunftssicher zu machen:
Optimierung dezentraler Energieressourcen.
KI kann das Management von dezentralen Anlagen wie Solar- und Windparks optimieren.
Verbesserung der Netzresilienz.
Sie kann die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes gegen Störungen und Ausfälle erhöhen.
Steigerung der Netzeffizienz.
Durch die Vorhersage und Verhinderung von Anlagenausfällen sowie die Optimierung des Einsatzes von Energiespeichersystemen kann KI die Effizienz steigern.
Datenmanagement und rechtliche Rahmenbedingungen.
Der Einsatz von KI im Stromnetz birgt jedoch auch potenzielle Risiken, die sorgfältig abgewogen und gemindert werden müssen. Eine wesentliche Rolle spielen dabei der Umgang mit sensiblen Daten und die rechtlichen Rahmenbedingungen für KI in der Energiewirtschaft. Ein umfassender Ansatz für die Integration von KI ist erforderlich, der ein gründliches Verständnis dieser Aspekte, sowie des Datenmanagements und der Datensicherheit beinhaltet. Das Gutachten des Fraunhofer IEE beleuchtet auch die Rolle von Daten im Energiesystem und die relevanten rechtlichen Rahmenbedingungen. Der Abschlussbericht des Projekts bietet zudem einen Implementierungsleitfaden für innovative KI-Anwendungen im Stromnetz, der wichtige Schritte und Überlegungen behandelt.
Anwendung auf dezentraler Ebene: Wärmepumpen und Smart Meter.
Die Digitalisierung und der Einsatz von KI sind nicht nur auf der Netzebene relevant, sondern auch bei der Steuerung dezentraler Energieverbraucher wie Wärmepumpen. Angesichts der raschen Elektrifizierung von Wärme und der steigenden Anzahl von Wärmepumpen ist deren Effizienz entscheidend für das Gelingen der Energiestrategie und die Entlastung des Stromnetzes. Etwa ein Drittel der installierten Wärmepumpen in der Schweiz ist nicht optimal konfiguriert und bietet Optimierungspotenziale, die oft unentdeckt bleiben.
Hier kommen digitale Lösungen und KI ins Spiel. Smart Meter, die bis 2027 in mindestens 80 % der Schweizer Haushalte verfügbar sein sollen und in Deutschland ab 2025 für Haushalte mit Wärmepumpen verpflichtend werden, bieten eine skalierbare technologische Basis zur Identifizierung dieser Potenziale. Moderne Verfahren der Datenanalyse und KI können spezifische Funktions-Parameter der Wärmepumpe erkennen, auf Fehler prüfen und so eine Fernüberwachung sowie automatisierte Diagnostik ermöglichen. Studien haben gezeigt, dass Algorithmen, trainiert auf Smart-Meter-Daten und externen Daten wie Wetterdaten, auffällige Wärmepumpen erkennen können, die sich atypisch verhalten. Ein Pilotprojekt zeigte, dass eine KI-gestützte Analyse des Stromverbrauchs von Wärmepumpen anhand von Smart-Meter-Daten schnell Optimierungspotenziale aufzeigen kann. Durch die Analyse von Eigenschaften wie Betriebsstunden, Schaltverhalten und Energieverbrauch konnten bei einem erheblichen Teil der analysierten Wärmepumpen Optimierungspotenziale festgestellt werden. Ein effizienter und energiesparender Betrieb von Wärmepumpen, unterstützt durch solche digitalen Lösungen, trägt nicht nur zu Stromeinsparungen bei, sondern auch zur Netzstabilität und minimiert Kosten für den Netzausbau.
Vernetzung und Virtuelle Kraftwerke.
Die digitale Vernetzung aller Komponenten im Haushalt – Solaranlage, Batteriespeicher, Wärmepumpe, Elektroauto – und der Einsatz von KI ermöglichen nicht nur die Optimierung des Eigenverbrauchs und die Nutzung dynamischer Stromtarife, sondern auch die Schaffung virtueller Kraftwerke. Durch KI können diese dezentralen Speicher und Verbraucher intelligent gesteuert und zu einer "virtuellen Giga-Batterie" vernetzt werden, die zur Stabilisierung des Netzes beitragen kann. Dies überwindet die traditionelle Trennung zwischen Stromerzeugern und -verbrauchern und schafft den Typus des "Prosumers".
Die Digitalisierung und der Einsatz von Künstlicher Intelligenz sind entscheidende Faktoren für die Bewältigung der Herausforderungen im Stromnetz der Zukunft und für das Vorankommen der Energiewende. Von der Optimierung des Netzbetriebs auf hoher Ebene bis hin zur intelligenten Steuerung dezentraler Anlagen im Haushalt bietet KI immense Möglichkeiten für mehr Effizienz, Zuverlässigkeit und Resilienz. Dabei sind jedoch ein sorgfältiger Umgang mit Daten, klare rechtliche Rahmenbedingungen und ein umfassender Ansatz für die Integration unerlässlich. Projekte wie "Data4Grid" und Innovationen auf der Ebene der Endverbraucher zeigen den Weg für ein intelligentes und nachhaltiges Energiesystem.
Kann künstliche Intelligenz Schwankungen in Stromnetzen erkennen und Stabilität generieren?
KI kann das Management dezentraler Anlagen wie Solar- und Windparks optimieren. Indem KI die Erzeugung dieser volatilen Quellen prognostiziert und deren Einspeisung optimiert, kann sie helfen, Schwankungen besser zu planen und zu integrieren.
Verbesserung der Netzresilienz.
KI kann die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes gegen Störungen und Ausfälle erhöhen. Dies ist eng verbunden mit der Fähigkeit, auf unerwartete Schwankungen oder Ereignisse reagieren zu können.
Steigerung der Netzeffizienz.
KI kann zur Steigerung der Effizienz beitragen, indem sie Ausfälle von Anlagen vorhersagt und verhindert und den Einsatz von Energiespeichersystemen optimiert. Speichersysteme sind essenziell, um Schwankungen auszugleichen, indem sie Strom bei Überschuss speichern und bei Bedarf abgeben. KI kann den optimalen Lade- und Entladezeitpunkt basierend auf Erzeugung, Verbrauch, Wetterdaten und Marktpreisen bestimmen.
Intelligentes Lastmanagement.
Intelligente Energiemanagementsysteme (EMS), die KI nutzen (wie das "Heartbeat AI" System von 1Komma5°), können alle Energieströme im Haushalt erfassen und optimieren. Durch den intelligenten Algorithmus können sie den elektrischen Energieverbrauch von Kunden auf Zeiten verlagern, in denen ein Überschuss an Strom aus erneuerbaren Energien besteht. Dies hilft, den Verbrauch an die schwankende Erzeugung anzupassen. Solche Systeme können auch signifikante Preisrisiken abfedern, die in Phasen geringen Stromangebots (z. B. "Dunkelflaute") entstehen, indem sie Wetterdaten, stündliche Marktpreise und Verbrauchsmuster berücksichtigen und benötigte Strommengen vorhersagen.
Steuerung dezentraler Verbraucher.
Moderne Wärmepumpen, gesteuert von einem intelligenten EMS, können das Stromnetz entlasten, indem sie überschüssigen Strom nutzen und Spitzen ausgleichen. KI-gestützte Analysen von Smart-Meter-Daten können zudem Optimierungspotenziale bei Wärmepumpen erkennen. Obwohl dies primär auf die Geräteeffizienz abzielt, trägt ein effizienter und energiesparender Betrieb von großen Verbrauchern wie Wärmepumpen zur Netzstabilität bei.
Virtuelle Kraftwerke.
Durch die digitale Vernetzung aller dezentralen Komponenten im Haushalt (Solaranlage, Batteriespeicher, Wärmepumpe, Elektroauto) und den Einsatz von KI können diese zu einem virtuellen Kraftwerk verbunden werden. KI ermöglicht die intelligente Steuerung dieser dezentralen Speicher und Verbraucher, um sie zu einer "virtuellen Giga-Batterie" zu vernetzen. Dieses virtuelle Kraftwerk kann dann zur Stabilisierung des Netzes beitragen.
KI ist in der Lage ist, Daten aus dem Stromnetz und von Endverbrauchern über Smart Meter, Wetterdaten und Marktinformationen zu analysieren, um Muster zu erkennen, Prognosen zu erstellen und dezentrale Erzeuger, Speicher und Verbraucher intelligent zu steuern. Diese Fähigkeiten ermöglichen es KI-Systemen, sowohl Schwankungen, die durch volatile Einspeisung und flexiblen Verbrauch entstehen, zu erkennen als auch aktiv durch optimierte Steuerung und Lastverschiebung zur Stabilität des Netzes beizutragen.
Welche Art von Messungen in digitalen Stromnetzen gibt es?
Für die Umsetzung der Digitalisierung der Stromnetze braucht es verschiedene Arten von Messungen.
Traditionelle Messungen mit Schleppzeigern.
Klassische Ortsnetzstationen verfügen über sogenannte Schleppzeiger. Diese zeigen nur den höchstgemessenen Gesamtverbrauch einer Station an und werden meist nur alle vier Jahre manuell abgelesen. Dies stellt eine vorhandene Datenlücke dar.
Moderne, digitale Stromsensoren im Niederspannungsnetz ("SMIGHT Grid").
Ein neuartiger Stromsensor namens "SMIGHT Grid", der gemeinsam von Netze BW und dem EnBW Start-up SMIGHT entwickelt wurde, misst die jeweilige Stromstärke an den einzelnen Abgängen von Ortsnetzstationen. Dies sind die Kabel, die den Strom von der Station zu den Haushalten transportieren. Der Sensor liefert so detaillierte Informationen darüber, wann und wo in einem Straßenzug wie viel Strom gesamtheitlich verbraucht wird. Diese Daten werden verschlüsselt in Echtzeit über das Mobilfunknetz übertragen. Ab nächstem Jahr (bezogen auf das Datum der Quelle) sollen rund 18.000 Messpunkte viertelstündlich Daten erfassen und übertragen. Diese Sensoren sind für einen dauerhaften Einsatz gedacht und schließen die Datenlücke des Schleppzeigers.
Messungen durch Intelligente Messsysteme (Smart Meter).
Intelligente Messgeräte (iMG), auch Smart Meter genannt, sind Stromzähler, die digital Daten empfangen und senden. Sie messen den Verbrauch oder die Erzeugung des jeweiligen Anschlusses. Intelligente Messsysteme (iMS) können Daten im schnellen Rhythmus an das Energieversorgungsunternehmen übertragen, um eine bessere Netz- und Ressourcensteuerung zu ermöglichen.
Messungen zur Netzqualität.
Die Überwachung der Netzqualität ist unternehmenskritisch. Dabei werden verschiedene Phänomene erfasst:
- Spannungseinbrüche/Spannungsüberhöhungen.
- Oberschwingungsverzerrungen und Zwischenschwingungen. Eine Zunahme von Oberschwingungen wird durch Photovoltaik (PV), Energiespeicher, das Laden/Entladen von Elektrofahrzeugen und umrichtergespeiste Lasten auf Haushaltsebene erwartet.
- Mikrounterbrechungen und Ausfälle.
- Spitzen/Transienten.
- Unterspannung/Überspannung.
- Spannungsunsymmetrie (Ungleichheit). Diese wird durch einphasige Anschlüsse von Technologien wie PV-Anlagen sowie durch intermittierende Lasten wie Ladestationen für Elektrofahrzeuge und Wärmepumpen wahrscheinlicher.
- Spannungsschwankungen (Flackern).
- Unter-/Überfrequenz.
- Schlechter Leistungsfaktor, der durch Oberschwingungen und Unsymmetrie beeinträchtigt werden kann.
Weitere netzbetriebliche Datenobjekte.
Neben direkten Strom- und Spannungsmessungen umfassen die in den Quellen betrachteten Datenobjekte im Kontext der Digitalisierung auch weitere Kategorien, die für den Netzbetrieb relevant sind:
- Anlage-Messdaten.
- Elektromobilitäts-Daten (z.B. Ladezustand der Batterie als Input zur Netzstabilitätsanalyse).
- Fahrplan- & Prognosedaten.
- Steuer- & Anreizsignale, die vom Netzbetreiber an Anlagen gesendet werden können.
- Asset-Daten (Informationen über Netzanlagen).
- SCADA-Daten (Daten aus Systemen zur Überwachung und Steuerung von Netzanlagen).
- GIS-Daten (Geoinformationssystem-Daten).
- Ereignisdaten (z.B. zu Störungen).
- Auftragsdaten.
Diese zunehmende Vielfalt und Granularität der Messdaten ist eine Grundlage für den Einsatz von Digitalisierung und KI im Stromnetz, um Herausforderungen wie die Integration volatiler erneuerbarer Energien und neuer großer Verbraucher wie E-Autos und Wärmepumpen zu bewältigen.
Welche Daten führen zu grossen Datenmengen?
Verschiedene Arten von Daten, die im Zuge der fortschreitenden Digitalisierung und Dezentralisierung der Energiewirtschaft anfallen, führen zu grossen Datenmengen.
Smart Meter, Stromsensoren.
Messdaten von modernen Sensoren und intelligenten Messsystemen sind eine der Hauptquellen für grosse Datenmengen. Moderne, digitale Stromsensoren wie "SMIGHT Grid" messen die Stromstärke an vielen Punkten im Niederspannungsnetz. Ab 2026 sollen rund 18.000 Messpunkte viertelstündlich Daten erfassen und übertragen. Dies erzeugt kontinuierlich grosse Volumina an Echtzeitdaten. Intelligente Messsysteme (iMG/Smart Meter) messen den Verbrauch oder die Erzeugung an einzelnen Anschlüssen. Sie können Daten in einem schnellen Rhythmus an das Energieversorgungsunternehmen übertragen. Mit der zunehmenden Verbreitung dieser Systeme an Millionen von Anschlüssen entstehen sehr grosse Datenmengen. Meter-Daten sind als Datenobjekte aufgeführt, die im Datenmodell der Energiebranche relevant sind. "Anlage-Messdaten" von dezentralen Anlagen wie PV-Anlagen oder Speichern tragen ebenfalls zu diesem Volumen bei, da die Anzahl dieser Anlagen wächst.
Sensordaten aus Smart Cities und dem Netzbetrieb.
Rechenzentren, die als Kerninfrastruktur für Smart Cities dienen, sammeln und verarbeiten Big Data von einer Vielzahl von Sensoren und Geräten. Dazu gehören beispielsweise Daten von Verkehrskameras, Wetterstationen und intelligenten Messgeräten. Die Verarbeitung grosser Informationsmengen in Echtzeit ist notwendig, um Muster zu identifizieren und Effizienz zu verbessern, z.B. bei der Optimierung des Strassenverkehrs oder der Reduzierung des Energieverbrauchs. Auch im Netzbetrieb liefern Sensoren Daten zur Netzqualität.
Daten aus dem Netzbetrieb (SCADA, Ereignisdaten).
Systeme zur Überwachung und Steuerung von Netzanlagen (SCADA-Systeme) liefern kontinuierlich Betriebsdaten. Ereignisdaten, die Störungen oder andere Vorkommnisse im Netz erfassen, tragen ebenfalls zum Datenvolumen bei.
Daten im Kontext der Elektromobilität.
Elektromobilitäts-Daten, wie beispielsweise Batteriefüllstände, könnten zukünftig dem Verteilnetzbetreiber zur Verfügung gestellt werden. Mit der zunehmenden Anzahl von Elektrofahrzeugen wird auch die Menge dieser Daten steigen.
Fahrplan- & Prognosedaten.
Daten für die Planung und Prognose von Erzeugung und Verbrauch erfordern die Verarbeitung grosser Mengen historischer und aktueller Daten, um genaue Vorhersagen, insbesondere für volatile erneuerbare Energien, zu treffen.
"Big Data".
Insgesamt spricht der Begriff "Big Data" im Kontext der Energiewirtschaft und Digitalisierung für das Vorhandensein grosser Datenvolumen. Big Data wird definiert durch Datenbestände, die aufgrund ihres Umfangs (Volume), Unterschiedlichkeit (Variety) oder ihrer Schnelllebigkeit (Velocity) nur begrenzt durch aktuelle Datenbanken und Daten-Management-Tools verarbeitet werden können. Die zunehmende Dezentralisierung und Fragmentierung der Energielandschaft sowie der Eintritt neuer Marktteilnehmer erhöhen die informatorische Komplexität laufend. Die hier genannten Datenarten, insbesondere die hochfrequenten Mess- und Sensordaten von einer wachsenden Anzahl von Punkten, sind die Haupttreiber für diese Zunahme an Datenvolumen.
Wie können grosse Datenmengen gemanaged werden?
Grossen Datenmengen, also "Big Data", können auf verschiedene Weise gemanaged werden.
Infrastruktur - Rechenzentren als zentrale Verarbeitungseinheiten:
Rechenzentren dienen als Kerninfrastruktur für Smart Cities. Sie sammeln die Daten von verschiedenen Quellen (wie Sensoren und Geräten). Rechenzentren verarbeiten diese grossen Informationsmengen in Echtzeit und ermöglichen deren Analyse. Diese Verarbeitung und Speicherung von Informationen ist für moderne Städte unerlässlich. Der Bedarf an Rechenzentrumskapazität, möglichst vor Ort, wächst daher. Durch die Verarbeitung von Big Data können Rechenzentren Einblicke gewinnen, die zur Verbesserung der Effizienz und Funktionalität der Stadt beitragen, z. B. bei der Optimierung des Strassenverkehrs oder der Reduzierung des Energieverbrauchs.
Standardisierung und Datenmodellierung: Einheitliche Definitionen und Austausch.
Angesichts der zunehmenden Vernetzung und Komplexität im Verteilnetz ist ein einheitlicher Umgang mit Daten essenziell. Ein Standard-Datenmodell, wie es vom Verband Schweizerischer Elektrizitätsunternehmen (VSE) entwickelt wurde, dient als Grundlage für den einheitlichen Datenaustausch zwischen Verteilnetzbetreibern und anderen Akteuren. Dieses Modell stellt sicher, dass Daten einheitlich definiert und ausgetauscht werden können. Dies erhöht die Interoperabilität, reduziert den Aufwand für individuelle Anpassungen und erleichtert die digitale Zusammenarbeit. Das Datenmodell strukturiert das relevante Datenumfeld, die beteiligten Rollen, Stakeholder sowie die geschäftsrelevanten Interaktionen. Es gliedert sich in die Domänen Prosumer, Netzbetrieb und Marktpartner.
Data Policy: Umfassendes Rahmenwerk für den Umgang mit Daten.
Eine "Data Policy" (Datenpolitik) bildet ein gesamtheitliches Framework für den Datenaustausch zwischen den Marktteilnehmern bzw. Rollen in der Energielandschaft. Dieses Framework umfasst Grundsätze für relevante Fragestellungen:
Daten-Nutzung.
Hier werden die Verwendungszwecke und Nutzungsrechte an den Datenobjekten pro Rolle definiert.
Daten-Compliance.
Dies beinhaltet die Festlegung von Regeln und Richtlinien zur Einhaltung von Datenschutz und Datensicherheit. Dies ist besonders wichtig, da grosse Datenmengen auch personenbezogene Daten enthalten können. Zu den Massnahmen gehören das Need-to-know Prinzip, Anonymisierung/Pseudonymisierung (insbesondere für Weitergabe und Profiling), Anforderungen bei externer Verarbeitung oder Datenhaltung im Ausland, Vorgaben zur Aufbewahrung und Archivierung, sowie die Berücksichtigung des Schutzbedarfs (Vertraulichkeit, Integrität, Verfügbarkeit) der Datenobjekte.
Daten-Governance.
Legt Mechanismen zur Steuerung, Umsetzung und nachhaltigen Weiterentwicklung der Data Policy fest – sowohl unternehmensintern als auch branchenübergreifend. Ziele sind unter anderem die Sicherstellung der Umsetzung der Policy, des ausreichenden Datenschutzes, der Datenqualität und des erforderlichen Daten-Reportings. Zu den Aufgaben der Daten-Governance in den Unternehmen gehören strategisches Datenmanagement, Datenqualitätsmanagement, Dateninventarisierung (Aufbau und Pflege eines Dateninventars) und Daten-Reporting (Erstellung und Versand regulatorischer Berichte sowie Datenauskunft).
Analytische Verfahren: Data Mining.
Obwohl nicht direkt ein Management der Menge, sondern der Inhalte, wird Data Mining als Sammelbegriff für computergestützte Verfahren zur Analyse grosser Datenbestände genannt. Dies zielt darauf ab, Muster zu finden und neue Hypothesen zu generieren. Dies setzt voraus, dass die grossen Datenmengen zuvor erfasst, gespeichert und zugänglich gemacht (gemanaged) wurden.
Das Management grosser Datenmengen in der Energiebranche und im Kontext von Smart Cities basiert auf einer robusten Infrastruktur mit Rechenzentren. Die Standardisierung von Daten (Datenmodell) strukturiert das Satenmanagement und durch eine umfassende Data Policy wir die Daten-Nutzung, -Compliance und -Governance geregelt. Diese Policy definiert den Zweck, die Sicherheit und die organisatorischen Prozesse für den Umgang mit den Daten.
Braucht es für die Digitalisierung der Stromnetze geeignete Rechenzentren?
Für die fortschreitende Digitalisierung der Stromnetze sind geeignete Rechenzentren unbedingt notwendig. Die Digitalisierung generiert grosse Datenmengen. Diese Daten müssen erfasst, gespeichert und verarbeitet werden. Rechenzentren sind als Kerninfrastruktur darauf ausgelegt, diese grossen Informationsmengen in Echtzeit zu sammeln, zu verarbeiten und deren Analyse zu ermöglichen. Rechenzentren bilden das Rückgrat des digitalen Fortschritts. In Smart Cities, die zunehmend auf digitalem Datenaustausch basieren, dienen sie als zentrale Infrastruktur zur Verarbeitung von Big Data aus einer Vielzahl von Sensoren und Geräten, einschliesslich intelligenter Messgeräte. Diese Verarbeitung ermöglicht es, Muster zu identifizieren, Effizienz zu verbessern, den Energieverbrauch zu reduzieren und notwendige Einblicke für den Netzbetrieb zu gewinnen.
Das Management erfordert strukturierte Prozesse und Frameworks wie das Standard-Datenmodell des VSE und eine umfassende Data Policy. Diese Systeme und die darin definierten Datenobjekte (wie Meter-Daten, Anlage-Messdaten, SCADA-Daten, Ereignisdaten, Fahrplan- & Prognosedaten etc.) benötigen eine zugrundeliegende Infrastruktur für Speicherung, Verarbeitung und Austausch. Cloud-Anbieter, die im Kontext der Branchenschnittstellen und Data Policy als Rolle aufgeführt sind, stellen im Wesentlichen Rechenzentrumsdienstleistungen bereit. Die Data Policy berücksichtigt ausdrücklich die Datenhaltung im Ausland, die den Einsatz internationaler Cloud-Anbieter impliziert.
Daten aus Systemen zur Überwachung und Steuerung von Netzanlagen (SCADA-Daten), GIS-Daten und Ereignisdaten sind für den Netzbetrieb entscheidend und erfordern ebenfalls eine robuste Dateninfrastruktur zur Verarbeitung und Analyse.
Der Begriff "geeignet" ist hierbei wichtig: Geeignete Rechenzentren oder die darüber liegenden Cloud-Dienste müssen die Anforderungen der Daten-Compliance erfüllen, insbesondere in Bezug auf Datenschutz und Datensicherheit. Dies umfasst Aspekte wie Vertraulichkeit, Integrität und Verfügbarkeit der Daten. Die Verarbeitung und Speicherung, insbesondere von personenbezogenen Daten wie Meter-Daten, muss gemäss relevanter Gesetzgebung erfolgen und erfordert möglicherweise Massnahmen wie Pseudonymisierung.
Rechenzentren sind grosse Energieverbraucher und ihr rapides Wachstum stellt die Stromnetze vor grosse Herausforderungen, teilweise bis an die Grenzen. Geeignete Rechenzentren müssen daher energieeffizient sein. Darüber hinaus können moderne Rechenzentren mit ihren internen Energieressourcen (z.B. USV-Anlagen mit Batterien) sogar zur Unterstützung der Netzstabilität beitragen und flexible Netzdienstleistungen bereitstellen.
Die Digitalisierung der Stromnetze und die damit verbundene Zunahme und Verarbeitung von Daten in Rechenzentren als zentrale infrastrukturelle Komponente erfordert, diese Daten zu managen. Gleichzeitig müssen diese Rechenzentren selbst "geeignet" sein, indem sie hohe Standards bei Daten-Compliance erfüllen und energieeffizient sind, um die zusätzliche Belastung der Stromnetze zu minimieren und idealerweise zur Netzstabilität beizutragen.
Beispiel: SmartGrid der CKW.
Sicherheit und Cyberattaken auf Stromnetze.
Je stärker das Stromnetz digitalisiert wird, desto verwundbarer ist es. Die traditionelle, strikte Trennung zwischen der physischen Infrastruktur und der IT ist in Zeiten des Smart Grids überholt. Die IT und die operationelle Technologie (OT), welche die physikalischen Prozesse im Kraftwerk steuert, verschmelzen immer stärker miteinander. Aus dieser Entwicklung ergeben sich neue Risiken.
Zunehmende Angriffsfläche und potenzielle Einstiegspunkte.
Mit der Digitalisierung entstehen Millionen potenzieller Einstiegspunkte für Cyberkriminelle. Besonders intelligente Messsysteme (Smart Meter), aber auch cloud-verbundene Geräte, die über das Internet gesteuert werden, können zu Schwachstellen werden. Die Infrastruktur der Smart Meter ist laut einer Quelle schwer zu überwachen und zu schützen, da viele Geräte in privaten und öffentlichen Gebäuden leicht zugänglich sind und über das Industrial IoT eng miteinander und mit übergeordneten Systemen vernetzt sind.
Verletzlichkeit der OT-Systeme.
Während die IT-Infrastrukturen von Energieversorgern oft nach neuesten Standards geschützt sind, werden Angreifer laut einer Quelle das schwächste Glied angreifen: die industrielle Infrastruktur mit ihren Millionen von IoT-Komponenten. Für OT-Systeme existieren oft nur mangelhafte technische Möglichkeiten zur Absicherung direkt auf den Geräten und Komponenten.
Lieferkettenrisiken.
Die Lieferkette birgt zunehmend Gefahren. Schwachstellen und Backdoors können sozusagen «mitgeliefert» werden oder durch kompromittierte Updates in die Betreibersysteme gelangen. Die vermehrte Nutzung von COTS (Commercial Off-The-Shelf) Hard- und Software sowie die Schaffung zusätzlicher Schnittstellen verstärken dieses Risiko.
Vernetzung kritischer Infrastrukturen.
Cyberangriffe auf kritische Infrastrukturen wie das Stromnetz können Auswirkungen auf andere Infrastrukturarten haben, da sie miteinander vernetzt sind, z. B. interagierende Energiesysteme mit Wassersystemen.
Menschlicher Faktor.
Der menschliche Faktor bleibt eine Schwachstelle. Wenn Mitarbeiter nicht vorsichtig genug beim Anklicken von Links und Anhängen sind, hilft laut einer Quelle die beste Technologie nichts.
Mögliche Folgen von Cyberattacken.
Die Folgen einer Cyberattacke auf ein Kraftwerk oder Stromnetz hängen stark von den attackierten OT-Steuerungssystemen ab und davon, wie eng diese mit dem "Inneren" des Kraftwerks verbunden sind. Das Risiko einer erfolgreichen Cyberattacke ist höher, je mehr Möglichkeiten ein OT-Steuerungssystem bietet. Die Folgen können sich auf den jeweiligen Betrieb beschränken, z.B. in Form eines finanziellen Schadens, wenn das Netz auch ohne das betroffene Kraftwerk stabil bleibt. Im Worst-Case-Szenario kann es jedoch zu einem grossflächigen Blackout kommen. Dies wurde 2015 in der Ukraine beobachtet, als eine Hackergruppe ein Stromnetz einer ganzen Region zum Erliegen bringen konnte. Angriffe können die Verfügbarkeit, Integrität oder Vertraulichkeit von Daten kompromittieren. Bei grösseren Ausfällen kann die Netzfrequenz so stark schwanken, dass die vorhandenen Leistungsreserven zur Stabilität nicht ausreichen. Mit einer grossen Anzahl von Geräten, die aus der Cloud gesteuert werden, steigt die Gefahr, dass solche Ausfälle häufiger und schwerwiegender auftreten. Die Cybersicherheit wird somit zu einem zentralen Thema zur Gewährleistung einer sicheren Stromversorgung. Um digitale Sabotageakte und Blackouts zu verhindern, ist laut einer Quelle ein verbessertes Gefahrenbewusstsein und strategische Schutzmassnahmen erforderlich.
Welches sind die Schutzmassnahmen gegen Cyberattaken?
Während die Digitalisierung das Stromnetz effizienter macht, erhöht sie gleichzeitig seine Angreifbarkeit. Eine sichere Stromversorgung zu gewährleisten erfordert daher ein verbessertes Gefahrenbewusstsein und strategische Schutzmassnahmen. Ein ganzheitliches Schutzkonzept ist daher unerlässlich. Welche Massnahmen ergreifen Energieversorger und Regulierungsbehörden, um unsere Stromnetze zu schützen?
Technische Schutzkonzepte und Systemhärtung.
Ein grundlegendes Prinzip ist die Trennung zwischen der Office-IT und den kritischen OT-Systemen im Kraftwerk. Dieses Prinzip, auch bekannt als "Air Gap", soll verhindern, dass Angreifer aus der potenziell gefährdeteren IT-Welt in die OT-Welt vordringen und den Betrieb stören können. Auch wenn eine vollständige Isolation in der Praxis schwierig ist und Kommunikation für Wartung oder Datenaustausch benötigt wird, ist eine strikte Einschränkung der erlaubten Verbindungen und Zugriffe entscheidend. Besondere Aufmerksamkeit gilt den OT-Systemen und der Advanced Metering Infrastructure (AMI), zu der Millionen von Smart Metern gehören. Für diese industrielle Infrastruktur existieren oft nur mangelhafte technische Möglichkeiten zur direkten Absicherung auf Geräteebene. Das IT-Sicherheitsgesetz fordert daher Systeme zur Echtzeit-Angriffserkennung in der Betriebstechnik (OT). Diese Systeme sollen auch bisher unbekannte Attacken frühzeitig erkennen, Anomalien automatisch bewerten und melden. Lösungen, die das Sicherheitsmonitoring bis in die Randbereiche der Infrastruktur ausdehnen und die Kommunikation zwischen Smart Metern, Datenkollektoren und übergeordneten Systemen überwachen, spielen hier eine wichtige Rolle. Ziel ist eine schnelle Gefahrenabwehr durch Echtzeit-Sichtbarkeit und Anomalieerkennung.
Auch die in das Netz integrierten smarten Geräte selbst müssen gesichert werden. Hersteller digitaler Produkte mit Vernetzungsmöglichkeiten sind zukünftig durch das Cyberresilienzgesetz (CRA) der EU verpflichtet, Cybersicherheit zu implementieren. Dazu gehört auch die Anleitung für die Endverbraucher zur Aufrechterhaltung der bestmöglichen Sicherheit, etwa durch die Vergabe sicherer Passwörter, die Aktivierung von Multi-Faktor-Authentifizierung und das regelmässige Installieren von Updates. Intelligente Geräte wie PV-Wechselrichter oder Ladestationen können auch netzfreundlich parametriert werden, um das System widerstandsfähiger zu machen. Für neue grosse PV-Anlagen wird beispielsweise ein Steuerungssystem mit einem sicheren Gateway und einem Standardprotokoll wie IEC 60870-5-104 gefordert.
Im Falle grösserer Störungen oder Cyberangriffe, die zum Ausfall vieler Geräte führen könnten, sind Massnahmen zur Stabilisierung der Netzfrequenz entscheidend. Die bessere Überwachung von Frequenzabweichungen und die schnelle Ergreifung von Gegenmassnahmen wie gezielte Lastabwürfe oder Lastzuschaltungen können die Netzstabilität gewährleisten. Die Erforschung und Erprobung von automatischen Netztrennungen und schnellem Wiedereinschalten ist hier Teil der Schutzstrategie. Darüber hinaus können hochsichere Kommunikationsnetzwerke, Sicherheitszonen und die Einbindung von Hardware Security Anchors die Resilienz erhöhen.
Strategische und organisatorische Massnahmen.
Eine verbindliche Cyber Security-Strategie in Eigenverantwortung der Stromunternehmen ist notwendig. Hierbei wird die Orientierung an anerkannten Standards wie IEC 62443 empfohlen. Diese Standards helfen, den Handlungsbedarf zu identifizieren, Massnahmen risikobasiert zu definieren und schrittweise umzusetzen. Sie ermöglichen auch die regelmässige Überprüfung der Fortschritte und die Formulierung von Anforderungen an die Cyber-Resilienz von Komponenten und Systemen, die von Herstellern einzufordern sind.
Der Aufbau und Betrieb eines Informationssicherheitsmanagementsystems (ISMS) ist ein gewichtiger Punkt im neuen Informationssicherheitsgesetz (ISG) des Bundes. Das ISG legt einen formell-gesetzlichen Rahmen für die Informations- und IT-Sicherheit fest und betrifft auch Betreiber kritischer Infrastrukturen. Ein ISMS, das sich am internationalen Standard ISO 27001:2022 orientiert, deckt zentrale Themen wie Risikomanagement, Zusammenarbeit mit Dritten, Vorfallmanagement, Schulung und Sensibilisierung sowie Kontrollen und Audits ab.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Management von Sicherheitsvorfällen (Vorfallmanagement). Dazu gehört auch die Meldepflicht für Cyberangriffe bei kritischen Infrastrukturen, die dem Bundesamt für Cybersicherheit (BACS) eine bessere Übersicht über Attacken und Vorgehensweisen verschaffen soll. Die Zusammenarbeit und der Austausch von Informationen über Bedrohungen zwischen Netzbetreibern und nationalen sowie europäischen Behörden ist ebenfalls ein wichtiger Pfeiler. Projekte wie PHOENIX tragen dazu bei, Erkenntnisse, Fachwissen und innovative Instrumente für diese Zusammenarbeit bereitzustellen. Auch die Lieferkette (Supply Chain) muss in das Schutzkonzept einbezogen werden. Angesichts der Gefahr von "mitgelieferten" Schwachstellen oder kompromittierten Updates ist ein ganzheitlicher Ansatz zur Gewährleistung der Cybersicherheit über alle Anwendungen, Akteure und die gesamte Lieferkette hinweg erforderlich.
Der Faktor Mensch und Bewusstsein.
Selbst die beste Technologie kann Cyberangriffe nicht vollständig verhindern, wenn der menschliche Faktor eine Schwachstelle darstellt. Awareness und Schulung der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sind von grösster Bedeutung. Die NIS2-Richtlinie schreibt beispielsweise regelmässige Schulungen der Belegschaft vor. Mitarbeiter müssen lernen, bei Links und Anhängen vorsichtig zu sein. Angesichts des Fachkräftemangels im Bereich der OT-Sicherheit kann die Inanspruchnahme von Managed Security Services eine Lösung sein, um den Betrieb des Sicherheitsmonitorings auszulagern und von externem Know-how zu profitieren.
Regulatorischer Rahmen und Koordination.
Der Schutz kritischer Infrastrukturen vor Cyberrisiken wird auch durch regulatorische Vorgaben vorangetrieben. Richtlinien wie die EU-weite NIS- und NIS2-Richtlinie verpflichten Betreiber kritischer Infrastrukturen zu einem gemeinsamen hohen Cybersicherheitsniveau. In der Schweiz verpflichtet das Informationssicherheitsgesetz (ISG) Betreiber kritischer Infrastrukturen zur Einhaltung bestimmter Sicherheitsanforderungen. Regulierungsbehörden wie die ElCom erwarten von Netzbetreibern die Umsetzung branchenspezifischer Richtlinien und Handbücher zur Cybersicherheit. Die Politik muss hier laut einer Quelle mehr Verbindlichkeit schaffen.
Die Vielfalt der Herausforderungen erfordert vielfältige und sich ergänzende Lösungen. Nur eine Kombination aus technischen, organisatorischen und menschlichen Massnahmen, unterstützt durch einen soliden regulatorischen Rahmen, wird es ermöglichen, ein Stromnetz aufzubauen, das die neuen Technologien der Energiewende sicher integrieren kann. Dies erfordert auch den Aufbau zusätzlicher Kompetenzen und eine stärkere Koordination und Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Akteuren im Stromsektor. Die Cybersicherheit ist somit kein einmaliges Projekt, sondern ein kontinuierlicher Prozess, der ständige Aufmerksamkeit, Investition und Anpassung an neue Bedrohungen erfordert, um die Cyber-Resilienz des Stromnetzes nachhaltig zu stärken.
Wie können Cyberattaken frühzeitig erkannt und abgewehrt werden?
Mit der fortschreitenden Digitalisierung und der zunehmenden Vernetzung von Operational Technology (OT) mit Informationstechnologie (IT) entstehen neue Angriffsflächen. Smarte Zähler (Smart Meter) und andere intelligente Geräte sind integraler Bestandteil des modernen Stromnetzes, stellen aber auch potenzielle Schwachstellen dar. Ein erfolgreicher Cyberangriff könnte schwerwiegende Folgen haben, im Extremfall sogar einen grossflächigen Stromausfall verursachen. Wie können solche Attacken frühzeitig erkannt und abgewehrt werden?
Technische Erkennungssysteme in OT und AMI.
Ein zentraler Punkt ist die Implementierung von Systemen zur Angriffserkennung, insbesondere in den kritischen OT-Systemen, die physikalische Prozesse steuern. Das IT-Sicherheitsgesetz fordert von Betreibern kritischer Infrastrukturen wie Energieversorgern solche Systeme. Das Ziel ist die frühzeitige Erkennung von Cyberattacken, idealerweise sogar von bisher unbekannten Attacken. Dies ermöglicht es Unternehmen, umgehend Massnahmen zu ergreifen, um Schäden zu vermeiden oder zumindest zu minimieren.
Die Herausforderung besteht darin, dass traditionelle IT-Sicherheitssysteme oft nicht für die spezifischen Bedürfnisse von OT-Systemen ausgelegt sind. Es bedarf spezialisierter Lösungen, die ein Sicherheitsmonitoring mit Anomalieerkennung in der Betriebstechnik bieten. Da die Advanced Metering Infrastructure (AMI) mit ihren Millionen von Smart Metern ein wahrscheinliches Angriffsziel darstellt, muss die Cybersicherheit auch auf diese Randbereiche der Infrastruktur ausgeweitet werden. Ein solches System sollte Echtzeit-Angriffserkennung sowie die automatische Bewertung und Meldung erkannter Anomalien innerhalb der AMI leisten. Es ist entscheidend, dass das Sicherheitssystem Echtzeit-Sichtbarkeit des aktuellen Status der gesamten OT und AMI bietet. Eine leistungsstarke Anomalieerkennung ermöglicht dann die schnelle Gefahrenabwehr. Die Kommunikation zwischen Smart Metern, Datenkollektoren und übergeordneten Systemen wird überwacht. Auffälligkeiten werden in Echtzeit gemeldet, was eine frühzeitige Abwehr erlaubt.
Schnelle Reaktion und Abwehrmassnahmen.
Die schnelle Gefahrenabwehr ist das direkte Ergebnis der frühzeitigen Erkennung. Wenn Cyberangriffe frühzeitig erkannt werden, können konkrete Massnahmen ergriffen werden. Beispiele für solche Massnahmen zur Stabilisierung des Netzes nach einer Störung sind gezielte Lastabwürfe oder gezielte Lastzuschaltungen.
Forschungsergebnisse zeigen, dass die bessere Überwachung von Frequenzabweichungen im Stromnetz eine schnellere Feststellung von Störungen und die umgehende Ergreifung von Massnahmen ermöglicht. Auch automatische Netztrennungen und schnelles Wiedereinschalten der Verbindungen können als Massnahmen erprobt werden, um das Netz zu entlasten und zu stabilisieren. Generell gilt, dass Energieversorgungsunternehmen über Verfahren verfügen, um Zugriffe auf ihre Systeme zu verhindern. Sollte ein Angriff dennoch erfolgreich sein, werden Sicherungssysteme aktiviert. Einige Forschungsprojekte konzentrieren sich auf Lösungen, die sicherstellen, dass die Strom- und Energiesysteminfrastruktur Cyberangriffe nicht nur überlebt, sondern bei Störungen auch weiterhin funktionsfähig ist. Dazu gehören auch Selbstheilungsfunktionen, die Angriffe automatisch erkennen und abwehren können.
Organisatorische und strategische Massnahmen zur Reaktion.
Neben der technischen Erkennung ist ein robustes Vorfallmanagement (Management von Sicherheitsvorfällen) ein Kernbereich der Informationssicherheit.
Meldepflicht für Cyberangriffe ab 1. April 2025.
Ein wichtiges gesetzliches Instrument in der Schweiz ist die Meldepflicht für Cyberangriffe bei kritischen Infrastrukturen. Ab dem 1. April 2025 müssen solche Angriffe innerhalb von 24 Stunden nach Entdeckung dem Bundesamt für Cybersicherheit (BACS) gemeldet werden. Dies geschieht über eine Online-Plattform oder per E-Mail. Diese Meldepflicht hilft dem BACS, eine bessere Übersicht über die erfolgten Cyberangriffe und die Vorgehensweisen der Angreifer zu erhalten. Der Aufbau und Betrieb eines Informationssicherheitsmanagementsystems (ISMS), wie es das Informationssicherheitsgesetz (ISG) vorsieht, deckt auch das Vorfallmanagement ab.
Der menschliche Faktor und Zusammenarbeit.
Selbst die beste Technologie nützt nichts, wenn das Bewusstsein und die Schulung der Mitarbeitenden fehlen. Awareness und Schulung der Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter sind von grösster Bedeutung, um echte Sicherheit herzustellen. Mitarbeiter müssen lernen, beim Anklicken von Links und Anhängen vorsichtig zu sein. Die NIS2-Richtlinie schreibt beispielsweise regelmässige Schulungen vor. Auch zuverlässiges und bestens geschultes Personal ist für den sicheren Betrieb von OT-Systemen notwendig.
Die Zusammenarbeit und der Austausch von Informationen über Bedrohungen zwischen Netz- und Verteilernetzbetreibern sowie nationalen und europäischen Behörden ist entscheidend. Projekte wie PHOENIX stellen Erkenntnisse, Fachwissen und innovative Instrumente zur Unterstützung dieser Zusammenarbeit bereit.
Angesichts des Fachkräftemangels im Bereich der OT-Sicherheit können Managed Security Services eine Option sein, um Expertenwissen für den Betrieb des Sicherheitsmonitorings und die schnelle forensische Analyse bei Anomalien in Anspruch zu nehmen.
Die effektive Cyber-Abwehr bei digitalisierten Stromnetzen beruht auf einer Kombination aus technischer Echtzeit-Erkennung, der Fähigkeit zur schnellen Reaktion mit gezielten Massnahmen, einem organisierten Vorfallmanagement inklusive Meldepflichten sowie der Sensibilisierung und Schulung des Personals. Die Zusammenarbeit zwischen allen Akteuren im Energiesektor sowie mit Behörden ist ebenfalls ein wichtiger Pfeiler. Es ist ein kontinuierlicher Prozess, der ständige Anpassung und Investitionen erfordert, um die Cyber-Resilienz des Stromnetzes nachhaltig zu stärken und die sichere Integration neuer Technologien der Energiewende zu ermöglichen.
Disclaimer / Abgrenzung
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