Walenstadt: die Energieinsel

Walenstadt liegt am Ende des Walensees in der Nähe von Liechtenstein, in einem engen Bergtal, wo es durch drei Wasserkraftwerke sowie Photovoltaik- und Gasgeneratoren reichlich mit erneuerbarer Energie versorgt wird. Neben 5.000 Haushalten beherbergt sie auch ein Spital und andere wichtige Infrastrukturen; damit ist Walenstadt ein Mikrokosmos für das Energiesystem des Landes, sowohl was das Angebot als auch die Nachfrage betrifft.

Die Gemeinde Walenstadt sieht eine wirtschaftliche Chance, von ihren natürlichen Ressourcen zu profitieren, indem sie Stromüberschüsse an das nationale Netz verkauft und ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Naturkatastrophen und wirtschaftlichen Schocks (z. B. schwankende Energiepreise) erhöht.

Wir sehen eine Lernmöglichkeit, um dringende Fragen bei der Entwicklung vollautomatischer Energiesysteme zu untersuchen, die erneuerbare Energien einbeziehen. Da diese intermittierenden Energiequellen Unsicherheiten mit sich bringen, sind ausgeklügelte Lösungen erforderlich, um sicherzustellen, dass die zukünftige Energieversorgung nicht nur nachhaltig, sondern auch robust und zuverlässig ist. In diesem aufstrebenden Forschungsbereich gibt es viele Richtungen zu erforschen.  

• Wie können wir ein nachhaltiges Stromnetz schaffen und unterhalten, das die Möglichkeit bietet, Strom für den künftigen Bedarf zu speichern und extern zu handeln?  
• Was können wir über Stromverteilungsraten, Nutzung und Flexibilitätsbedarf lernen? 
• Welche Lösungen können wir für die zu erwartenden Herausforderungen finden? 
• Welche unvorhergesehenen Probleme können auftreten? 

Was Walenstadt so interessant macht, ist die hohe Innovationsdichte mit Solar-, Wasser- und Gaskraftwerken in einer kleinen Region. Die Stadt ist bereits aktiv dabei, ihre Energieversorgung umzustellen; das Wasserkraftwerk wurde erst vor wenigen Jahren gebaut, und man bereitet sich darauf vor, das verwendete Gas durch eine umweltfreundlichere Variante zu ersetzen. All dies bedeutet, dass dringend untersucht werden muss, wie der gesamte lokale Energiemarkt (Angebot, Nachfrage und Interaktion) besser gesteuert werden kann, um dem völlig anderen Charakter der erneuerbaren Energien im Vergleich zur klassischen elektromechanischen Stromerzeugung Rechnung zu tragen.

Wie können wir mit der erhöhten Unsicherheit der erneuerbaren Energien umgehen?

Während man sich bei einem klassischen Wechselrichter darauf verlassen kann, dass er Strom genau nach den Spezifikationen erzeugt, ist es bei den unberechenbaren erneuerbaren Energiequellen (wie der Solarenergie) viel schwieriger, die richtige Spannung zur richtigen Zeit zu liefern. Ein Netz, das auf erneuerbaren Energien basiert, stützt sich in der Regel auf mehrere kleinere Kraftwerke, die irgendwie als ein einziges Netz verwaltet werden müssen, wenn sie ein einzelnes großes, berechenbares Kraftwerk ersetzen sollen. Eine der Herausforderungen besteht also darin, algorithmische Steuerungen zur Stabilisierung dieses Netzes zu entwickeln, die die verteilte Leistung messen und Anweisungen an die einzelnen Anlagen senden. Dies ist ein ganz neuer Bereich, in dem die Lösungen noch in der Entwicklung sind und bisher nur auf kleinen Testfeldern demonstriert wurden.

Soviel zum Angebot; auf der Nachfrageseite haben wir es mit dem menschlichen Verhalten zu tun, das ebenso unberechenbar ist wie das Wetter. Obwohl wir in groben Zügen wissen, wann mehr Energie benötigt wird (z. B. werden Haushalte zu den Mahlzeiten mehr Küchengeräte benutzen, während Büros über Nacht weitgehend abgeschaltet werden), ist es unmöglich, das Verhalten der Kunden genau zu steuern. Die herkömmlichen Anreize einer dynamischen Preisgestaltung lassen sich nicht gut auf den Markt für erneuerbare Energien übertragen, wo eine größere Flexibilität erforderlich ist. Wir müssen nach Möglichkeiten suchen, Funktionen wie das Aufladen von Autos zu automatisieren, um Strom zu beziehen, wenn er an anderer Stelle nicht benötigt wird.

Und auf organisatorischer Ebene wird die neue Energielandschaft neue Aufgaben und Rollen mit sich bringen, sei es bei den Verteilernetzbetreibern oder den Anbietern von Hilfsdiensten. Es stellen sich Fragen wie der erhöhte Bedarf an Cybersicherheit; die algorithmisch gesteuerte Aktivierung von Geräten oder Maschinen könnte zu enormen Energiespitzen führen, was mit Sicherheitsrisiken verbunden ist.

Für die Forscher besteht die Möglichkeit, neue Lösungen für die gesamte Kette zu entwickeln, aber auch einen robusten Rahmen für statistische Analysen zu schaffen. Auf allen Ebenen, von der Mikrozeitskala der Energieerzeugung bis zur Managementübersicht über das gesamte System, müssen wir algorithmische Modelle für neue Ideen und bestehende Systeme entwickeln und gründliche A/B-Tests durchführen, um Lösungen zu optimieren.

Das interdisziplinäre Forschungsteam des NFS Automation arbeitet gemeinsam mit Walenstadt an diesen Fragen und erschliesst damit das Energiepotenzial für die ganze Schweiz. Hier kann Spitzenforschung in der Praxis neue Ideen für eine wirklich nachhaltige Zukunft hervorbringen.  

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