von Dr. Tom Kraus & Dr. Stefan Wolf
Cloud, Blockchain, Internet of Things? Sicherlich, diese Begriff e hat man schon einmal gehört. So nutzen viele Smartphone-User die Cloud für Backups, Blockchain kennt man als Technologie hinter Bitcoin und das Internet of Things macht schon heute viele Haushalte smart, indem es Geräte vernetzt.
Doch was haben diese Begriffe mit der Energiewende zu tun? Ganz einfach: Sie ermöglichen eine Revolution im Kleinen, die schon bald große Auswirkungen auf unsere Energieversorgung haben könnte. Vier Forschungsprojekte haben sich der Digitalisierung der Energiewende verschrieben.
Die Energieerzeugung und -versorgung war in Deutschland bis zur Energiewende strikt hierarchisch aufgebaut: Große Stromerzeuger produzieren Strom in Kern-, Gas- und Kohlekraftwerken und verteilen ihn anschließend über die verschiedenen Spannungsebenen an die Endverbraucher. Die Energiewende hat diese Strukturen aufgebrochen: Der Ausbau der erneuerbaren Energien hat nicht nur in Form großer Wasserkraftwerke oder Biogasanlagen, sondern unter anderem auch in Form tausender Photovoltaik-Anlagen auf Einfamilienhausdächern stattgefunden. Auf diese Weise wurden aus zahlreichen Stromkonsumenten sogenannte Prosumenten, die mithilfe von Photovoltaik- oder Windkraftanlagen Strom sowohl selbst produzieren als auch konsumieren. Neben Privathaushalten sind das Gewerbetreibende und Energiegenossenschaften.
Doch die stehen nun vor einem Problem: Bislang wurden private Photovoltaikanlagen wie auch Bürgerwindparks vom Staat gefördert. Festgelegt wurde diese Förderung im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) – allerdings mit der Einschränkung, dass die Förderung nach 20 Jahren ausläuft. Ab dem 1. Januar 2021 sind die ersten Anlagen von dieser Regelung betroffen, ihr Vergütungsanspruch entfällt. Zahlreiche Anlagen sind dann von der Abschaltung bedroht, weil sich ihr Betrieb nicht mehr lohnt.
Rettung für die kleinen Anlagen?
Nun ist die Frage: Wie können die kleinen Anlagen, die sich in privater und Bürgerhand befinden, ab 2021 wirtschaftlich rentabel betrieben werden? Und an dieser Stelle kommen die digitalen Technologien ins Spiel: Cloud, Blockchain und das Internet of Things (IoT) sollen es ermöglichen, kleinste Versorgungsnetzwerke aufzubauen. Denn die Stromversorgung von morgen erfolgt dezentral. Gleichzeitig soll sie stabil und zuverlässig sein und der Handel mit Strom transparent und nachvollziehbar.
Die nachvollziehbare Absicherung von Transaktionen ist ein entscheidendes Kriterium, damit der Stromhandel unter Nachbarn funktionieren kann. Daran arbeitet das Projekt ETIBLOGG, eins von vier Forschungsprojekten aus dem Bereich Energie, die im Technologieprogramm „Smart Service Welt II“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie gefördert werden. Im Zentrum des Projekts steht die Ebene der kleinsten Netze, der sogenannten „Microgrids“: Hier handeln die Prosumenten – in diesem Fall sind damit vor allem kleine und mittlere Gewebebetriebe mit eigenen Erzeugungsanlagen gemeint – ihren Strom direkt mit den Endverbrauchern. Für die praktische Realisierung eines solchen Handels ist es erforderlich, dass die hohen Transaktionskosten, die den lokalen Handel mit Energie-Kleinstmengen momentan noch erschweren, reduziert werden. Der Einsatz der Blockchain-Technologie im Projekt ETIBLOGG soll einen entsprechenden Peer-to-Peer-Handel möglich machen, der in Echtzeit abläuft und vor allem für die Prosumenten wirtschaftlich lukrativ ist.
Die Blockchain als schlaues Kassenbuch
Dabei fungiert die Blockchain als eine Art Kassenbuch: Jede Transaktion wird in einem Datensatz abgespeichert und an den Datensatz der vorherigen Transaktion angehängt. So entsteht die namensgebende „Kette“ aus Datenblöcken, die Transparenz und Nachvollziehbarkeit gewährleisten soll. Die Datensätze sind nur mit sehr hohem Aufwand nachträglich veränderbar, es wird keine einzelne zentrale Instanz benötigt, die als „Mittler“ auftritt und der vertraut werden muss, und jede Transaktion kann transparent zurückverfolgt werden. Dieses Prinzip macht sich auch das Projekt BloGPV zunutze. Auch hier wird eine Blockchain-Lösung für den Stromhandel eingesetzt. Der Unterschied: Hier geht es um einen virtuellen Speicherverbund für Betreiber von Photovoltaik-Anlagen. Kleine Hausspeicheranlagen schließen sich dabei zu einem virtuellen Großspeicher zusammen. So entsteht ein Strommarkt, an dem sowohl die Prosumenten – hier sind das vor allem Kleinerzeuger – als auch Endverbraucher teilnehmen können: Sie handeln den Strom dann direkt miteinander. Auch bei BloGPV basiert der Handel auf der Blockchain-Technologie.
Der virtuelle Speicher hilft außerdem dabei, das Stromnetz zu stabilisieren, indem die Stromflüsse zwischen den einzelnen Teilnehmern optimiert werden. Zu diesem Zweck werden die Daten herangezogen, die über das IoT übertragen werden, allen voran die Messwerte der Erzeuger und Endkunden. So können die Produktion, der Verbrauch und sogar der Stromhandel an den Bedarf, das Nutzungsverhalten und die klimatischen Bedingungen angepasst werden.
Vernetzung von Anbietern und von Dingen
Eine weitere Form des Zusammenschlusses wird im Projekt SMECS erforscht: direkte Kooperationsmöglichkeiten zwischen kleinen regionalen Stromerzeugern und Energiegenossenschaften. Die Stromerzeuger werden miteinander und mit den Kunden vernetzt. Die technologische Basis dafür ist das IoT und die Blockchain. IoT-fähige Sensoren und Geräte versorgen die Projektbeteiligten mit Informationen wie zum Beispiel die aktuelle Stromproduktion und Produktionsprognosen, den Zustand der Solaranlagen, Wetterprognosen sowie den aktuellen Stromverbrauch und Verbrauchsprognosen.
In einem Pilotprojekt in Ostbayern testet SMECS unter realen Marktbedingungen verschiedene Preis- und Vermarktungsmodelle. Durch den Einsatz der Blockchain-Technologie ist der Kunde in der Lage, genau nachzuvollziehen, wo sein eingekaufter Strom herkommt – und wird daher in die Lage versetzt, diese Kaufentscheidung ganz bewusst zu treffen. So werden zum Beispiel auf einem Portal die einzelnen Photovoltaikanlagen und ihre Betreiber vorgestellt, sodass der Stromkunde auf gut informierter Basis entscheiden kann, wo genau er seinen grünen Strom kaufen möchte.
Smarte Stromversorgung auf Datenbasis
Den Betrieb einer Peer-to-Peer-Handelsplattform für den lokalen Energiehandel auf Basis von Blockchain erprobt das Projekt pebbles. In einem Testgebiet in der Gemeinde Wildpoldsried im Allgäu ist hierfür ein lokaler Energiehandelsplatz entstanden. Lokale Prosumenten der Gemeinde wurden zu diesem Zweck mit intelligenten Stromzählern ausgestattet. Den Prosumenten wird jedoch nicht nur der reine Handel ermöglicht, der über die Blockchain abgewickelt wird, sondern ihnen werden auch auf sie zugeschnittene Prognosedienste hinsichtlich des Stromverbrauchs, der Stromproduktion und Informationen zu Marktpreisen zur Verfügung gestellt. Ähnlich wie im Projekt SMECS ist die Basis auch hier eine Plattform in der Cloud, auf der die Daten gesammelt, ausgewertet und in smarte Services umgewandelt werden können.
Während der Projektlaufzeit von pebbles testen die Verbraucher unterschiedliche Geschäftsmodelle und Marktmechanismen. Im Rahmen des Projekts soll herausgefunden werden, inwieweit es möglich ist, die Verbraucher über verschiedene marktwirtschaftliche Anreize zu einem netzdienlichen Verhalten anzuregen. Eine der größten Herausforderungen für die smarten Microgrids ist nämlich die Netzstabilität.
Dr. Tom Kraus und Dr. Stefan Wolf sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Innovation und Technik der VDI/VDE-IT und Teil der Begleitforschung des Technologieprogramms „Smart Service Welt II“, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird.