Mit smarten Systemen den Stromherausforderungen von morgen begegnen

Die Schweiz hat sich hinsichtlich Nachhaltigkeit ambitionierte Ziele gesteckt: Bis 2050 soll hierzulande der Energiewandel umgesetzt und damit der Zustand der Klimaneutralität erreicht werden. Um diese Ziele zu verwirklichen, sind smarte digitale Lösungen u.a. für Systemdienstleistungen unerlässlich.

Elektrizität ist der Motor der modernen Gesellschaft. Die Zahlen des Bundesamtes für Energie sprechen hierzu eine klare Sprache: In den letzten fünf Jahren wurden hierzulande durchschnittlich 810 000 Terajoule Energie pro Jahr genutzt. 70 Prozent dieser Energie erhält die Schweiz aus dem Ausland, die einheimische Produktion von Elektrizität erfolgt hauptsächlich über die Wasserkraft (62 Prozent), Kernkraft (29 Prozent) sowie mit konventionell-thermischen und erneuerbaren Anlagen (9 Prozent). Während die Schweiz im Sommer Überschüsse exportiert, muss sie in den Wintermonaten etwa gleich viel Strom importieren.

Ein grosser Treiber von Veränderungen im Schweizer Elektrizitätsmarkt ist die «Energiestrategie 2050». Diese hat zum Ziel, die Energiewende erfolgreich umzusetzen und damit Klimaneutralität zu erlangen. Seit dem Jahr 2020 sind deshalb nur noch vier der fünf Schweizer Atomkraftwerke in Betrieb. Der Anteil der erneuerbaren Energien ist 2021 auf rund 28 Prozent des gesamten Endenergieverbrauchs gestiegen.

Viele Vorteile – und Herausforderungen

Die Vorzüge der erneuerbaren Energie sind bestechend. So sorgt die Nutzung von Solar-, Wasser-, Windenergie und Co. unter anderem für deutlich geringere CO2-Emissionen, als diese beim Gebrauch fossiler Brennstoffe anfallen. Zudem erzeugen sie keinerlei Luftverschmutzung und produzieren auch keine anderen Abfallprodukte. Der grösste Pluspunkt besteht für Fachleute aber darin, dass es sich um grundsätzlich unerschöpfliche Energiequellen handelt. Auch wirtschaftliche sowie politische Vorzüge wie die Schaffung neuer Fachgebiete, Industrien und Arbeitsplätze sowie eine verminderte Abhängigkeit von Energieimporten aus dem Ausland werden als Pluspunkte angeführt.

Allerdings hat diese Entwicklung auch Schattenseiten. So ergibt sich bei erneuerbaren Energien wie Sonnenenergie und Windenergie das Problem der «Volatilität». Damit sind Schwankungen in der Energieerzeugung gemeint. Diese entstehen, weil die erneuerbaren Energieträger von natürlichen Bedingungen abhängig sind, die stark variieren können. So gibt es zum Beispiel Tages- und saisonale Schwankungen der Sonneneinstrahlung, und Windgeschwindigkeiten können ebenfalls deutlich variieren. Das führt zu einem volatilen, also schwankenden Energieangebot. Diese Volatilität stellt eine Herausforderung für die Energiemärkte und das Energiesystem dar. Traditionelle Energiequellen wie Kohle-, Gas- oder Kernkraftwerke konnten bisher konstante Energiemengen liefern und liessen die Balance von Angebot und Nachfrage gut planen. Erneuerbare Energien sind dagegen weniger berechenbar, was die Energieversorgung komplizierter gestaltet.

Mangel vermeiden

Befinden sich Stromangebot und -nachfrage während mehrerer Tage, Wochen oder sogar Monate nicht mehr im Gleichgewicht, wird dieses Phänomen als Engpass in der Elektrizitätsversorgung oder als Zustand von Energiemangel bezeichnet. Eine solche Konstellation kann unter bestimmten Bedingungen auftreten, beispielsweise bei niedrigen Wasserpegeln in Flusssystemen und Stauanlagen, die eine Verringerung der Energieproduktion nach sich ziehen. Diese Produktionslücke muss in solchen Fällen durch zusätzliche Energieimporte kompensiert werden.

Um derartige Engpässe zu vermeiden, sorgt die nationale Netzgesellschaft Swissgrid für den sicheren Netzbetrieb in der Schweiz und balanciert den Stromverbrauch und die -produktion aus. Eine Mammutaufgabe, denn das «Höchstspannungsnetz», welches Swissgrid betreibt, ist rund 6700 Kilometer lang und bildet das Rückgrat der sicheren Stromversorgung in der Schweiz. Um innerhalb dieser gewaltigen Infrastruktur agieren zu können, setzt Swissgrid auf Systeme, die einen schnellen Datenaustausch sowie kurze Reaktionszeiten ermöglichen. Doch nicht nur die Netzbetreiberin profitiert von solchen technischen Hilfsmitteln: Moderne digitale Tools sind unter anderem in der Lage, aufgrund von Messdaten und weiteren Parametern Prognosen über die Stromverfügbarkeit zu erstellen und damit Versorgungslücken zu schliessen, bevor sie entstehen. Dies ist zum Beispiel für Grossverbraucher wie Industriebetriebe enorm nützlich, denn sie können durch die Nutzung dieser Daten und Systeme sicherstellen, dass ihre Produktion nicht von potenziellen Versorgungsschwankungen betroffen sind. Generell kann die Digitalisierung wesentlich dazu beitragen, energieintensive Prozesse effizienter zu gestalten. Wie stark die Technologie über die vergangenen Jahrzehnte dazu beigetragen hat, den Energieverbrauch zu senken, zeigen folgende Daten: Obwohl die Schweizer Bevölkerung zwischen 1990 und 2020 um 28,7 Prozent gewachsen ist, hat der Energieverbrauch pro Kopf im gleichen Zeitraum um 5,9 Prozent abgenommen.

Weitere Möglichkeiten, um der Volatilität erneuerbarer Energien entgegenzuwirken, liefert die Erforschung und Nutzung neuer Energiespeicher: Durch den Einsatz von Batterien oder anderen Speichertechnologien (wie Pumpspeicherkraftwerken oder Power-to-Gas-Anlagen) kann die erzeugte Energie gespeichert und später genutzt werden, wenn sie gebraucht wird. Ein Fernziel sind zudem sogenannte «Smart Grids» – intelligente Stromnetze, welche die vorhandene Energie selbstständig flexibel verteilen und so Schwankungen ausgleichen können.