Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln gGmbH

Sind unsere Smart Meter smart genug?

Sind unsere Smart Meter smart genug?
Elektroautos sind gut für mehr Nachhaltigkeit, aber können die Stabilität der Verteilnetze gefährden.

11. Oktober 2019 | Die amüsanteste Twitter-Ablenkung des Sommers 2019 war vermutlich #FreeDorothy. Ein jugendlicher Ariana-Grande-Fan entfachte versehentlich ein Feuer in der Küche, vermutlich war sie beim Kochen „abgelenkt“. Daraufhin nahm ihre Mutter ihr das Smartphone weg, mit der Ermahnung, „mehr Aufmerksamkeit auf ihre Umgebung zu richten“.

In einer Mischung aus sommerlicher Langeweile und dem Wunsch, ihr Social-Media-Leben aufrechtzuerhalten, begann die Teenagerin, mit Hilfe von smarten Haushaltsgeräten zu twittern. Als klar wurde, dass „Dorothy“ über den smarten Kühlschrank ihrer Familie twitterte, ging der Hashtag #FreeDorothy viral.

Es ist unklar, ob Dorothys Mutter weiß, dass sich daraufhin eine kleine globale Gemeinschaft formierte, um sich für die Befreiung ihrer Tochter vom Social-Media-Bann einzusetzen. Laut „The Guardian“ hat Dorothy vielleicht nicht einmal per Kühlschrank getwittert, sondern es so aussehen lassen, als würde sie jugendliche High-Tech-Fertigkeiten besitzen. LG behauptet, dass Twittern per Kühlschrank mit einigen Modellen möglich ist. Expert*innen gehen davon aus, dass der Twitter-Tag möglicherweise im Nachhinein geändert wurde.

Während das #FreeDorothy-Drama die Twittersphäre erheitert, zeigt der möglicherweise twitterfähige Kühlschrank der Familie etwas Überraschendes über Blockchain-basierten Peer-to-Peer-Handel (P2P).

Unsere Haushaltsgeräte und Smart Meter werden immer intelligenter und unsere Teenager technisch immer versierter. Aber werden unsere Geräte und Smart Meter schnell genug intelligent, um uns auch beim Übergang zu nachhaltiger Energie zu unterstützen?

Wie Dorothy weiß, sind „smarte“ Geräte mit dem Internet verbunden. Der Kühlschrank ihrer Mutter kann im Namen von Dorothy twittern. Er könnte auch das Potenzial haben, über einen Smart Meter komplexe, dezentrale Strominformationen mit einer P2P-Handelsplattform auszutauschen.

Dynamische, lokale P2P-Märkte

Sobald Dorothys Mutter Zugang zu einer solchen Plattform hat, wird sie sich entscheiden, Geld zu sparen, was zur Stabilisierung des lokalen Netzes während der Spitzenzeiten beiträgt. Wenn Dorothys Mutter über Produktionskapazitäten in Form von Solarmodulen verfügt, kann sie auch Strom vor Ort handeln, indem sie sich dafür entscheidet, ihre Verkaufspreise festzulegen und das Einkommen dem Komfort vorzuziehen und umgekehrt, alles (fast) in Echtzeit.

Dieser dynamische, lokale P2P-Markt wird ihr aller Wahrscheinlichkeit nach höhere Einnahmen aus dem Verkauf ihres Überschusses und ihrer zeitlichen Flexibilität bringen, als sie jetzt erreichen kann. Letztendlich wird sie mit Hilfe eines automatisierten, maschinell lernenden Entscheidungsassistenten Strom nutzen, produzieren, speichern und verkaufen.

Die Entscheidungen, die sie im besten Interesse ihrer Familie treffen wird, werden in Übereinstimmung mit einem dezentralen Strommarkt erfolgen, der – theoretisch – besser in der Lage sein wird, Angebot und Nachfrage lokal und schnell auszugleichen, als es ein zentraler Betreiber tun kann.

Im nächsten Jahrzehnt werden weitere Haushalte ihren eigenen Strom mit Photovoltaik erzeugen, was das Angebot am Tag erhöht. Verteilnetzbetreiber (VNBs), die die Verteilung von Strom lokal verwalten, werden Schwierigkeiten beim Ausgleich des Netzes haben.

Dieses Phänomen erfordert „Netzflexibilität“ in Form von Nachfrageflexibilität, was wiederum bedeutet, dass Verbraucher*innen und Prosumer*innen (die sowohl produzieren als auch konsumieren) sich ihrer Produktion und ihres Verbrauchs bewusst werden und bereit sind, routinemäßige Handelsentscheidungen schnell und einfach zu treffen.

Derzeitige Smart Meter reichen nicht aus

Es gibt bereits eine Smart-Meter-Technologie, mit der Verbraucher*innen gezielt darauf aufmerksam gemacht werden können, wie viel Strom sie zu einem bestimmten Zeitpunkt verbrauchen und produzieren. Aber diese Art von „Super Smart Meter“ sind in den meisten Haushalten nicht installiert.

Die meisten in Haushalten installierten Smart Meter sind nicht in der Lage, das Verbrauchsverhalten pro Gerät zu analysieren, oder sie stellen Verbrauchs- und Produktionsinformationen nicht in Echtzeit dar. Beide Fähigkeiten sind entscheidend für den Übergang zu nachhaltiger Energie und zu den dezentralen flexiblen Märkten, die diese nachhaltige Energie ermöglichen.

In einem dezentralen Strommarkt werden Super Smart Meter eine weitere entscheidende Rolle spielen – die Koordination dynamischer Preisgestaltung, die die Verbraucher*innen ermutigt, ihr Konsum- und Handelsverhalten so anzupassen, dass das lokale Netz im Blockchain-P2P-Handel ausgeglichen wird.

Experiment: Begeisterung bei den Teilnehmenden

Der P2P-Handel wird Dorothys Mutter, ihrer Familie, ihrer Gemeinschaft und letztlich der Umwelt jetzt und in Zukunft zugute kommen. Was könnte also die Entwicklung von mehr Blockchain-basierten Handelsgemeinschaften in Zukunft bremsen?

Erste Ergebnisse eines Forschungsexperiments in der Schweiz deuten darauf hin, dass angesichts der dezentralen Energieerzeugung und der Entwicklung Blockchain-fähiger dezentraler Strommärkte „smartere“ Zähler unerlässlich sind. Diese grundlegende Veränderung wird weit über das Twittern per Kühlschrank hinausgehen. So wie Konsument*innen im Smartphone-Zeitalter zu „Medienschöpfern“ geworden sind, werden sie in Zukunft über Blockchain-Handelsplattformen zu „Smart Market Prosumers“.

Als unsere Kolleg*innen von der ETH Zürich und der Universität St. Gallen im schweizerischen Walenstadt einen Feldversuch mit Blockchain in einer P2P-Stromhandelsgemeinschaft begannen, erwarteten wir, dass sie Probleme hätten, Teilnehmende zu gewinnen. Wir erwarteten Vertrauens- und Vertrautheitsprobleme, die aus der Verwechslung von Blockchain und Bitcoin in der Kryptowährung resultierten. Überraschenderweise waren die Leute begeistert und wollten gerne mitmachen.

Von den 37 am Experiment beteiligten Haushalten produzieren 28 ihren eigenen Strom. Einige wenige andere besitzen einen Anteil an einer größeren PV-Anlage, z.B. in einem Mehrfamilienhaus.

Eine der am Projekt beteiligten Doktorandinnen, Anselma Wörner, stellte fest, dass die Teilnehmenden nicht so viele Bedenken hinsichtlich Datensicherheit und Vertrauen äußerten, wie sie erwartet hatte. Vor allem die Prosumer*innen schienen sich zu freuen, eine kleine Handelsgemeinschaft zu bilden, denn unter Umgehung der zentralen Behörde verdienten sie nicht nur mehr an dem Strom, den sie an das Netz zurückverkauften. Sie überwachten auch gerne ihren Verbrauch und ihre Produktion und wussten, dass der Strom – und das Geld – in der Gemeinschaft blieb.

Fehlende Echtzeitdaten und unzureichende Rechenleistung

Natürlich bleibt der Strom, der von der Photovoltaikanlage ins Netz fließt, immer in der Gemeinde. Elektronen folgen dem einfachsten Weg. Wenn also Ihre Nachbarin einen Überschuss produziert und ihn in das Netz einspeist, während Sie verbrauchen, dann verwenden Sie dessen Strom und umgekehrt. Was ist in Walenstadt anders? Die Teilnehmenden haben Optionen. Sie können wählen, an wen, wann und zu welchem Preis sie Strom kaufen und verkaufen.

Die Großstudie – ein vom Bundesamt für Energie unterstütztes „Leuchtturmprojekt“ – läuft und wird demnächst Forschungspublikationen vorlegen. Die Themen reichen von der Markteffizienz des Blockchain-fähigen dezentralen P2P-Handels über den Einfluss eines solchen Marktes auf das Konsumverhalten bis hin zur Stabilität der notwendigen Netzwerkverbindungen.

Um die Forschung in Gang zu bringen, mussten die Wissenschaftler*innen jedoch zunächst ein großes Problem lösen: Wie kann man den Mangel an Echtzeitdaten und die unzureichende Rechenleistung von Smart Metern auf Haushaltsebene überwinden?

Die bereits in den Häusern der Teilnehmenden installierten Smart Meter waren der Aufgabe der Teilnahme an der Blockchain-Plattform nicht gewachsen. Ihnen fehlte die Rechenleistung, um die Anzahl und Komplexität der intelligenten Vertragsabschlüsse zu verfolgen und zu speichern.

Stattdessen installierten die Forscher*innen eine temporäre Lösung in Form eines „Raspberry Pi“, vereinfacht gesagt also zusätzliche Rechenleistung an einem Gerät. Obwohl das kostengünstig war, ist das keine zertifizierte, skalierbare Lösung, die im Moment verfügbar ist. Die meisten VNBs interagieren nicht mit solchen Smart Metern, und die meisten Energieversorger installieren sie nicht.

Prosumer*innen und Elektroautos: Mehr Nachhaltigkeit, weniger stabiles Netz

In den nächsten zehn Jahren werden noch mehr Haushaltsgeräte, wie der Kühlschrank von Dorothy, aufrüsten: Sie werden nicht nur Informationen über den Stromverbrauch an den Smart Meter des Hauses senden können. Sie werden auch als Stromspeicher fungieren, „billigen“ Strom kaufen und die Temperatur im Kühlschrank senken, um eine Kühlung zu vermeiden, wenn der Strom teurer ist.

Da immer mehr Haushalte Elektroautos aufladen müssen, werden dynamische Preismechanismen und automatisierte Entscheidungshilfen, die durch Smart Meter und Blockchain-Handelsplattformen ermöglicht werden, entscheidende Methoden sein, um lokale Netzstabilität zu erreichen.

Die sinkenden Kosten für PV-Module bedeuten, dass die Zahl der Prosumer*innen wachsen wird. Der zunehmende Einsatz von Elektroautos führt zu einer steigenden Nachfrage. Mehr Prosumer*innen und mehr Elektroautos bedeuten mehr Nachhaltigkeit, aber auch eine Bedrohung für die Netzstabilität.

Erste Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass Blockchain diejenigen dezentralen Strommärkte vereinfachen kann, die mehr Netzflexibilität schaffen – solange wir genügend dezentrale Rechenleistung haben, um den Markt zu unterstützen.

Wenn alle – VNB, Verbraucher*innen, unsere Kinder und Enkelkinder – von dieser Entwicklung profitieren werden, wer ist dann für die Installation der dezentralen Rechenleistung verantwortlich? Energieversorger? VNBs? Kommunen? Wenn wir diese kritische Netzflexibilitätslösung schnell ausbauen wollen, während Forscher*innen die Technologie hinter P2P-Märkten testen, dann müssen die politischen Entscheidungsträger*innen diese Frage berücksichtigen.

Dieser Beitrag erschien zuerst in einem Blog des Weltwirtschaftsforums (World Economic Forum).