Was sind Smart Grids? Und wie können die Ansätze und Anwendbarkeit dieser Smart Grids im gesamten Konzept von Smart Citys integriert werden? Um diese und weitere Fragen geht es in diesem Gastbeitrag unserer Kolumne anlässlich der Themenwoche „Smart City”. Gastautorinnen und -autoren sind Sarah Lier und Maximilian Heumann vom Institut für Wirtschaftsinformatik der Leibniz Universität Hannover sowie Dr.-Ing. Fernando Peñaherrera V vom OFFIS in Oldenburg.
Was sind Smart Grids?
Smart Grids werden als Cyber Physical Systems (CPS) konzipiert, die das herkömmliche Stromnetz mit mehreren Elementen für die lokale und verteilte Erzeugung und Speicherung kombinieren. Diese Netze umfassen auch Steuerungs- und Überwachungsgeräte sowie Kommunikationsnetzwerke, die zusammenarbeiten, um diese vielfältigen Energiekomponenten zu betreiben.
Welche Vor- und Nachteile haben Smart Grids?
Smart Grids bieten bemerkenswerte Vorteile durch ihre verbesserten Möglichkeiten zur Integration lokaler Erzeugung und zur effektiven Steuerung und Überwachung variabler Ausgänge von Anlagen wie Photovoltaik- und Windgeneratoren. Sie ermöglichen die Steuerung der Energieströme zwischen Generatoren, Speichern (beispielsweise Wärmespeicher oder Elektrobatterien) und Energiewandlern (Power-to-Heat, Power-to-Gas) und ermöglichen so eine ganzheitliche Optimierung aus technischen, wirtschaftlichen und ökologischen Aspekten.
Nachteile ergeben sich aus der damit verbundenen erhöhten Komplexität, da die Integration einer zunehmenden Anzahl schwankender Energiekomponenten zusammen mit ihrer Kommunikationsinfrastruktur anspruchsvollere Hardware und Software erfordert.
Welche Anforderungen für Quartiere sind relevant für Smart Grids?
Smart Grids können, wenn sie auf verschiedene Fälle angewendet werden, eine wichtige Rolle bei der Entwicklung intelligenter Smart Citys spielen. Die Kommunikationsinfrastruktur von Smart Grids lässt sich nahtlos in den umfassenderen Smart-City-Rahmen integrieren und erleichtert so die Bewertung, Verwaltung und den Betrieb verschiedener Energieanlagen, aus denen das Netz besteht. Darüber hinaus können die Erkenntnisse des Energiesystems in andere Subsysteme wie Verkehr, Wasserversorgung und andere Systeme im Zusammenhang mit der Energienutzung integriert werden, wodurch eine kohärente und nachhaltige Gemeinschaft gefördert wird. Somit kann eine vollständige Integration der verschiedenen Subsysteme durch die Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) die Bürgerbeteiligung und Lebensqualität verbessern und eine wirtschaftlich, ökologisch und sozial nachhaltige Gemeinschaft oder Region schaffen. [1]
Wie kann Bürgerpartizipation Smart Citys fördern?
Aufgrund des steigenden Bedarfs an lokaler Energieerzeugung und der erforderlichen Informationsmenge ist es wichtig, Bürgerinnen und Bürger in die Entwicklung von Smart Grids innerhalb einer Smart City einzubeziehen. Die Beteiligung kann gefördert werden, indem der Bevölkerung die Vorteile eines Multienergiesystems in ihren Wohnungen vermittelt werden. Tools wie NESSI [2] zur Simulation von Gebäudeenergiesystemen können Nutzenden einen ersten Einblick in die Anwendungen und Komplexitäten eines Energiesystems bieten. Dies kann den Menschen in die Lage versetzen, die Komplexität solcher Systeme zu verstehen und die nahtlose Integration dieser Systeme in eine Smart City zu erleichtern.
Ausblick: Wie können die Zukunftslabore helfen, Smart Citys weiterzuentwickeln?
Um diese Entwicklung voranzutreiben, hat sich das Zukunftslabor Energie (ZLE) zum Ziel gesetzt, Modelle und Simulationsstudien zu entwickeln, um die Entwicklung und Bewertung von Smart Grids als Teil der Energiesysteme zu untersuchen. Die aus diesen Modellen gewonnenen Erkenntnisse können dazu beitragen, das Verhalten der Smart-Grid-Komponenten, die Datenanforderungen und die Probleme, die sich aus den zukünftigen Anforderungen der lokalen Energieversorgung und -erzeugung ergeben, besser zu verstehen.
Die Eigenschaften von Kommunikationsnetzwerken und die Probleme, die sich aus der Netzwerkinteraktion komplexer Kommunikations- und Energiesysteme ergeben, können bewertet werden. Darüber hinaus kann mit den in der ZLE-Plattform bereitgestellten Tools ein besseres Verständnis der Datenanforderungen, Datenflüsse und erforderlichen Informationen zur Steuerung und Verwaltung der Energieanlagen ermittelt werden.
Quellen:
[1] https://www.bsi.bund.de/DE/Themen/Unternehmen-und-Organisationen/Informationen-und-Empfehlungen/Smart-City/smart-city_node.html
[2] https://nessi.iwi.uni-hannover.de/de/start/
(Titelbild: geralt/Pixabay)
Über die Autoren
Sarah Lier, Maximilian Heumann und Dr.-Ing. Fernando Peñaherrera
M.Sc. Sarah K. Lier und M.Sc. Maximilian Heumann sind wissenschaftliche Mitarbeitende am Institut für Wirtschaftsinformatik an der Leibniz Universität Hannover. Liers Schwerpunkte liegen im Bereich der effizienten, ethischen, erklärbaren und zertifizierbaren künstlichen Intelligenz, erneuerbare Energiesysteme und 5G. Heumanns Forschungsschwerpunkte sind Energie- und Mobilitätsforschung sowie Entscheidungsunterstützungssysteme.
Dr.- Ing. Fernando Penaherrera V. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter an der OFFIS – Institut für Informatik und bei der Universität Oldenburg. Seine Schwerpunkte liegen in der Modellierung und Simulation von Smart Grids, der Forschung zur Digitalisierung des Energiesystems und der Bewertung der Nachhaltigkeit industrieller Prozesse.
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