Dezentrale Stromnetze – Die Zukunft der Energiesicherheit

Viele sehen dezentrale Stromnetze als die beste Option zur Verbesserung der Energiesicherheit. Diese Netze erweitern die traditionelle Netzinfrastruktur, indem sie gemeinschaftsbasierte Energiequellen neben zentralen Kraftwerken nutzen. So arbeitet ein Team von MIT‑Ingenieuren daran, dezentrale Stromnetze zu verbessern und zukünftig Häuser mit Strom zu versorgen.

Stromausfälle nehmen zu

Berichte zeigen, dass Stromausfälle weltweit aus mehreren Gründen zunehmen. Ein Mangel an Wartung und Instandhaltung führt zu einem alternden System und verringerter Leistung in vielen Regionen. Zusätzlich sind extreme Wetterbedingungen wahrscheinlicher als in der Vergangenheit, was den Druck auf alte Infrastruktur erhöht.

Ein weiterer Faktor, der zu Stromausfällen beiträgt und den viele Menschen nie in Betracht ziehen, ist der Umstieg auf erneuerbare Energien. Solarpaneele sind ein gutes Beispiel für Systeme, die kostengünstige Energie liefern, aber Zeiten und Szenarien haben, in denen sie nichts produzieren können.

Während der Nacht oder über längere Zeiträume mit bewölktem Wetter können Solarsysteme die notwendige Energie nicht bereitstellen, die die Gemeinschaften benötigen. Im Gegensatz zu traditionellen Stromausfällen können vorhersehbare Lücken in der Erzeugung erneuerbarer Energie (wie bewölkte Tage oder Nacht für Solar) durch die Koordination von Grid‑Edge‑Geräten gemindert werden, die den Verbrauch und die Verteilung in Echtzeit anpassen.

Statistiken zu Stromausfällen

Eine 2023 Amerikanische Wohnungsbefragung zeigte, wie gravierend die Energiekrise geworden ist. Der Bericht ergab, dass mindestens ein von vier US‑Haushalten im letzten Jahr einen Stromausfall erlebt hat. Außerdem wurde festgestellt, dass über 70 % der Befragten den Ausfall für mehr als 6 Stunden erlebten.

Interessanterweise zeigen die Statistiken, dass ländliche Gemeinden eher langanhaltende Stromausfälle erfahren. Es wurde jedoch auch hervorgehoben, dass bestimmte Städte wie Detroit aufgrund schlechter Infrastruktur und anderer Faktoren ungewöhnlich hohe Ausfälle verzeichnen.

Globale Bedenken

Man kann dieses Problem exponentiell wachsen sehen, wenn man globale Ausfälle untersucht. Es gibt zahlreiche Fälle, in denen ganze Nationen für Tage oder sogar Wochen im Dunkeln lagen. In einem Vorfall versagte das alternde Stromnetz Kubas, wodurch über 10 Millionen Menschen tagelang ohne Strom blieben.

Lokale Stromnetze im Wandel

Wenn Sie an Ihr lokales Stromnetz denken, stellen Sie sich wahrscheinlich ein zentrales Kraftwerk, Umspannwerke und Übertragungsleitungen vor. Diese Infrastruktur ist nach wie vor am weitesten verbreitet, hat jedoch aufgrund der Entwicklung von Haushaltsgeräten bedeutende Veränderungen erfahren.

Quelle – MIT

Grid‑Edge‑Geräte

Der Begriff Grid‑Edge bezieht sich auf Geräte, die weit vom zentralen Stromversorgungsort entfernt sind. Diese Geräte verfügen häufig über fortschrittliche Fähigkeiten, darunter Stromerzeugung, Speicherung und Feinabstimmung. Zu den Grid‑Edge‑Geräten gehören private Solarpaneele, Batterien, Elektrofahrzeuge, Wärmepumpen, Wassererhitzer und IoT‑ (Internet of Things) Geräte.

Verteilte Energiequellen (DERs)

Der wachsende Einsatz verteilter Energiequellen schafft neue Marktchancen. Diese intelligenten Geräte ermöglichen das Überwachen, Steuern, Kommunizieren und Ausführen von Aufgaben. Genau diese Flexibilität wollten die MIT‑Ingenieure in ihrer neuesten Strategie nutzen, um die Netzresilienz zu verbessern, vor Cyberangriffen zu schützen und das Netzwerk zu stabilisieren.

Studie zu dezentralen Stromnetzen

Eine kürzlich in der Zeitschrift der National Academy of Sciences veröffentlichte Studie mit dem Titel “Resilience of the electric grid through trustable IoT-coordinated assets“¹ stellt ein neuartiges Rahmenwerk vor, um Edge‑Geräte zu nutzen und die Netzresilienz gegen verschiedene Szenarien zu sichern. Das neue System nutzt koordinierte Grid‑Edge‑Geräte, um das Netzwerk neu auszubalancieren oder zu unterstützen.

IoT‑Geräte

Im Kern der Studie steht die Nutzung von IoT‑ (Internet of Things) Geräten. Um als IoT‑Gerät zu gelten, muss die Einheit über einen Sensor verfügen und Daten an das Internet übermitteln können. Bemerkenswerterweise gibt es derzeit weltweit Milliarden dieser intelligenten Geräte. Daher konzentrierten die Forscher sich darauf, diese Geräte zu nutzen, da sie voraussichtlich in den nächsten fünf Jahren den Löwenanteil der Edge‑Geräte ausmachen werden.

Die Strategie sieht vor, dass Hausbesitzer ein regionales Markt‑Abonnement abschließen. Dieses Abonnement macht ihre IoT‑Geräte für das Mikronetz berechtigt. Sobald sie genehmigt sind, können die vertrauenswürdigen Geräte den Stromverbrauch und die Verteilung koordinieren, die durch den proprietären Algorithmus der Ingenieure bestimmt werden.

EURIEKA (Efficient, Ultra‑Resilient, IoT‑Coordinated Assets)

Der EURIEKA‑Algorithmus steht im Zentrum der Studie der Ingenieure. Der Algorithmus scannt das Netzwerk nach teilnehmenden Edge‑Geräten. Anschließend bestimmt er, ob er das Stromnetz ergänzen oder den Stromverbrauch der IoT‑Geräte basierend auf vordefinierten Kriterien reduzieren soll. Was den Algorithmus so effektiv macht, ist seine Basis auf jedem lokalen Strommarkt.

Betreiber

Lokale Marktbetreiber spielen in diesem Ansatz eine zentrale Rolle. Jeder Markt hat einen Betreiber, der für die Verwaltung und Kommunikation mit Netzteilnehmern und anderen Betreibern zuständig ist. Sie sind die Knotenpunkte, die den EURIEKA‑Algorithmus initiieren und dessen korrekte Funktionsweise sicherstellen.

Vertrauen aufbauen

Der erste Schritt dieses Prozesses ist das Aufbauen von Vertrauen. Da es so viele IoT‑Geräte gibt, ist es entscheidend, dass das System nur mit geprüften und genehmigten Einheiten arbeitet, um Sicherheitsrisiken zu vermeiden. Der Algorithmus kann eigenständig vertrauenswürdige IoT‑Geräte verifizieren und genehmigen und die beste Kombination bestimmen, um Stromausfälle wirksam zu mindern und das System zu stabilisieren.

Lokaler Strommarkt

Ein Teil dieser Strategie schafft einen lokalen Energiemarkt, in dem IoT‑Teilnehmer Belohnungen für ihre Leistungen erhalten können. Das System verfolgt automatisch die Aktionen jedes Teilnehmers und zahlt Erträge basierend auf deren Energiebeiträgen aus. Die Ingenieure haben dabei verschiedene Vergütungsmodelle konzipiert, die von direkten Zahlungen bis zu Rechnungs­gutschriften reichen.

Testen dezentraler Stromnetze

MIT‑Ingenieure nutzen eine Vielzahl von Geräten und Algorithmen, um ihren neuen Ansatz zu testen. Konkret setzten sie einen nutzerfreundlichen Simulator, Echtzeit‑Hardware‑in‑the‑Loop‑Validierung und eine Co‑Simulationsplattform ein.

Stromnetz‑Algorithmus

Die Tests umfassten mehrere Szenarien, die unterschiedliche Stromverlustsituationen abdeckten. Die Szenarien berücksichtigten Ausfälle auf jeder Ebene des Systems. In einigen Fällen betrug der Verlust nur 5 % der Leistung. In anderen Fällen erlebte das Netzwerk katastrophale Ausfälle von bis zu 40 %.

Szenarien von Netzangriffen

Die Forscher prüften das System gegen einen groß angelegten Cyberangriff. In diesem Szenario stellten sie sich vor, dass ein intelligenter Thermostat gehackt wird. Die gehackten Geräte wurden dann hochgefahren, um das Stromnetz bis zu gefährlichen Belastungen zu stressen. Der erhöhte Stress würde ein traditionelles Stromnetz zum Versagen bringen. Die Grid‑Edge‑Systeme erwiesen sich jedoch als resilient.

Naturkatastrophen

Das Team testete ihr Netzwerk auch gegen Wetterereignisse. Sie stellten sich eine große Naturkatastrophe vor, bei der ein erheblicher Prozentsatz der Übertragungsleitungen beschädigt wird. Dieses Szenario ist weltweit verbreitet, da große Naturkatastrophen immer häufiger auftreten.

Testergebnisse zu dezentralen Stromnetzen

Die Tests des Algorithmus zeigten, dass Netzwerke von Grid‑Edge‑Geräten Energieverluste durch verschiedene Angriffe ausgleichen können. Das System stabilisierte das Netz erfolgreich, indem es die Netz‑Topologie anpasste. Darüber hinaus kann der neue Algorithmus automatisch bestimmen, welche Geräte vertrauenswürdig sind und welche Fähigkeiten sie besitzen.

Vorteile dezentraler Stromnetze

Dezentrale Stromnetze bieten zahlreiche Vorteile für den Markt. Erstens ermöglichen sie eine maßgeschneiderte Stromerzeugung, die den Verbrauch jedes Geräts berücksichtigt und so Effizienz steigert. Dieses System stellt eine umweltfreundlichere und nachhaltigere Alternative zum Status quo dar.

IoT‑Geräte sind überall

Ein weiterer Vorteil ist die Nutzung von IoT‑Geräten. Milliarden dieser Einheiten sind weltweit verteilt und besitzen das Potenzial, Stromnetze zu stabilisieren. Diese Strategie berücksichtigt ihre Fähigkeiten und nutzt sie gemeinsam, um ein robusteres Stromnetz zu schaffen, das extremen Bedingungen standhält, ohne auszufallen.

Schließt Lücken erneuerbarer Energien

Technologien wie Wind‑ und Solarenergie sind hervorragend für die Erzeugung sauberer Energie. Sie haben jedoch Zeiten, in denen sie nicht die erforderliche Elektrizität liefern können, die zum Betrieb von Haushalten nötig ist. In solchen Szenarien sehen die Ingenieure Grid‑Edge‑Geräte vor, die zusätzliche Arbeitslast zu übernehmen.

Profitabel

Ein potenzieller Nutzen dieser Strategie ist ein dynamischer lokaler Strommarkt, in dem Teilnehmer für ihre Beiträge entlohnt werden könnten. Während MIT‑Forscher dieses Konzept vorschlagen, würden konkrete finanzielle Anreize wie Rechnungs­gutschriften oder Zahlungen von der Markteinführung und den regulatorischen Rahmenbedingungen abhängen. Es wäre schön, einen kostenlosen Monat Strom zu erhalten, weil im Vormonat Ihr intelligenter Kühlschrank und Thermostat dazu beigetragen haben, das Netz stabil zu halten.

Forscher zu dezentralen Stromnetzen

Die Studie zu dezentralen Stromnetzen wurde von einem Team MIT‑Ingenieure vorgelegt. Die Arbeit listet die Hauptautoren als Vineet Nair und John Williams auf. Mitverfasst wurde sie außerdem von Anu Annaswamy. Bemerkenswert ist, dass sie Fördermittel vom Indian Institute of Technology, dem National Renewable Energy Laboratory, dem U.S. Department of Energy und der MIT Energy Initiative erhalten hat.

Diese Studie erweitert die frühere Arbeit von Forscher Nair im Bereich der adaptiven Regelungstheorie. Adaptive Regelungstheorie beschäftigt sich mit der Entwicklung von Systemen, die Probleme selbstständig erkennen und automatisch korrigieren können, ohne menschliches Eingreifen. Dieses neueste Protokoll fügt sich in diese Forschung ein und könnte eines Tages dazu beitragen, Häuser das ganze Jahr über mit Strom zu versorgen.

Unternehmen, die in Energiesystemen führend sind

Der Wettlauf, die resilientesten Energiesysteme auf den Markt zu bringen, hat mehrere Schlüsselakteure hervorgebracht. Diese Unternehmen haben Millionen in Forschung und Entwicklung investiert, um die Energieproduktion und -verteilung zu verbessern. Hier ist ein Unternehmen, das ideal positioniert ist, um von Verbesserungen im Stromnetz zu profitieren.

Duke Energy Corp

Duke Energy Corp (DUK ) trat 1904 als Wasserkraftwerk am Catawba River in den Markt ein. Das Unternehmen wurde von James Buchanan Duke und Benjamin Newton Duke gegründet und hat seinen Hauptsitz in Charlotte, North Carolina. Seit seiner Gründung verzeichnete die Duke Energy Corporation ein signifikantes Wachstum. Heute ist sie eines der größten Elektrizitätsunternehmen in den Vereinigten Staaten.

Duke Energys Aufstieg zur Marktdominanz erstreckte sich über viele Jahrzehnte, Akquisitionen und Marktbewegungen. 1997 fusionierte das Unternehmen mit der PanEnergy Corporation, um sein Angebot zu erweitern. Dann, im Jahr 2005, erwarb Duke Energy das Unternehmen Cinergy Corporation und steigerte damit die Marktdurchdringung in wichtigen Bundesstaaten.

Heute bleibt Duke Energy ein Marktführer im Energiesektor. Das Unternehmen setzt weiterhin auf Innovation und integriert neue Technologien als Teil seiner Strategie, zuverlässige und erschwingliche Energie für seine Kunden bereitzustellen.

Seine Positionierung und Geschichte würden es Duke Energy ermöglichen, die Erkenntnisse der Grid‑Edge‑Studie zu integrieren und seine Angebote zu verbessern. Daher wird DUK als starke Ergänzung für jedes Portfolio angesehen.

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Zukunft dezentraler Stromnetze

Es gibt noch viele Hürden bei der Einführung, die die Ingenieure als zu überwindende Hindernisse erkennen. Zunächst muss das System Kunden und Unternehmen dazu bringen, dem Netzwerk beizutreten. Anschließend müssen sie zustimmen, bestimmte Hardware zu integrieren, um das System zu ermöglichen, Strom zurück ins Netzwerk zu speisen und ihre Aktivitäten zu verfolgen. All diese Schritte erfordern Aufklärung der breiten Masse und die Bereitstellung kostengünstiger und zugänglicher Lösungen.

Erreichen von Netzresilienz

Man muss dem Team von unkonventionellen Denkern für ihren einzigartigen Ansatz Anerkennung zollen. Ihr Konzept nutzte leicht verfügbare Grid‑Edge‑Geräte, um das gesamte System zu stabilisieren. Diese Strategie ist sinnvoll, erfordert keine enormen Kosten oder Netzänderungen und nutzt die heute vorhandenen massiven IoT‑Netzwerke. Daher kann man erwarten, dass weitere Forschungen zu dezentralen Stromnetzen voranschreiten.

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Studienreferenz:

^{1. V.J. Nair, P. Srivastava, V. Venkataramanan, P.S. Sarker, A. Srivastava, L.D. Marinovici, J. Zha, C. Irwin, P. Mittal, J. Williams, J. Kumar, H.V. Poor, & A.M. Annaswamy, Resilience of the electric grid through trustable IoT-coordinated assets, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 122 (8) e2413967121, https://doi.org/10.1073/pnas.2413967121 (2025).}