Smart City

Schlauere Versorgungsnetze mit dem Internet of Things

Smarte Sensoren, virtuelle Abbilder: Das Internet of Things verknüpft physische Objekte mit digitalen Daten. Das bedeutet eine große Chance für die Versorgungsnetze: Sie werden transparenter, effizienter, nachhaltiger – und verwandeln Städte in Smart Cities.

Seit Neuestem stehen in Hannovers Innenstadt 20 Papierkörbe, die mitdenken können: Sie erkennen mithilfe von Ultraschallsensoren, wie voll sie sind – und melden den Füllstand in Echtzeit über eine Funkverbindung an die Stadtreinigung. Diese kann mit den Daten ihre Touren zum Leeren der Behälter optimal planen. Die intelligenten Mülleimer sind ein Pilotprojekt von enercity und der Abfallwirtschaft Region Hannover (aha). Das Ziel: mehr Sauberkeit bei weniger CO₂-Emissionen.

Egal, ob in Windkraftanlagen oder E-Auto-Ladestationen, Wasserleitungen, Fernwärmeverteilern und auch in Müllbehältern: An immer mehr Stellen der Versorgungsnetze und der technischen Infrastruktur erfassen heute smarte Sensoren permanent Daten, die anschließend über das Internet gesendet und in Rechenzentren verarbeitet werden. Dahinter steckt das sogenannte Internet der Dinge oder Internet of Things (IoT), das physische Objekte und digitale Daten miteinander verknüpft. Es verwandelt Städte in Smart Cities, in denen es sich nachhaltiger, sozial inklusiver und zugleich komfortabler leben lässt.

Eine Vielzahl an Technologien

Die IoT-Infrastruktur besteht aus einer Vielzahl von Technologien. Dazu gehören smarte Echtzeitsensoren und kleine antriebstechnische Baueinheiten, sogenannte Aktoren, ebenso wie Datenanbindungen über Mobilfunk oder über die reichweitenstarke drahtlose Funktechnologie Long Range Wide Area Network (LoRaWAN). Im Hintergrund arbeiten Cloud-Speicher und Applikationen zum Überwachen, Steuern und Optimieren der Versorgungsnetzwerke.

Diese unterschiedlichen digitalen Ökosysteme kommunizieren und interagieren miteinander“, erklärt André Banas, enercity-Fachmann für Smart Cities und IoT aus der Abteilung Intelligente Technologien. Die detaillierten Daten machen die Versorgungsnetze transparenter. Diese lassen sich dadurch effizienter betreiben und zielgerichteter optimieren. „Und nicht zuletzt ermöglicht es die Digitalisierung, dass früher klar voneinander getrennte Netze – etwa für Mobilität, Wärme oder Strom – miteinander verknüpft und aufeinander abgestimmt werden“, sagt Banas.

An immer mehr Stellen der technischen Infrastruktur erfassen smarte Sensoren inzwischen permanent Daten, die anschließend über das Internet gesendet und in Rechenzentren verarbeitet werden.

Umbau zu Smart Grids

Am weitesten verbreitet sind die IoT-Technologien heute schon in den Stromnetzen. Denn die werden zurzeit im Zuge der Energiewende mit Hochdruck zu Smart Grids umgebaut, also zu miteinander verbundenen intelligenten Netzen von kleineren Produktionseinheiten und lokalen Verbrauchern. Der Umbau ist notwendig, weil künftig immer weniger große Kern-, Gas- oder Kohlekraftwerke zentral Strom produzieren und diesen anschließend über hierarchisch organisierte Netze an die Endverbraucher verteilen. An ihrer Stelle kommt der Strom künftig neben großen Wasserkraftwerken oder Biogasanlagen auch von Zehntausenden von Photovoltaikanlagen auf den Dächern von Einfamilienhäusern oder aus Windparks, die sich über ganze Regionen erstrecken. Die Erneuerbaren machen die Stromversorgung damit dezentraler – und schwankungsanfälliger, etwa wenn der Wind nur mäßig weht oder die Sonne nicht ausreichend scheint. Beides macht eine effiziente Abstimmung und Steuerung notwendig.

Bereits geringe Abweichungen bei der Produktion oder dem Verbrauch von Strom ¬– etwa von Photovoltaikanlagen auf Einfamilienhausdächern – können von digitalen Sensoren gemessen und durch das Smart Grid vorausschauend und flexibel ausgeglichen werden.

Darum messen digitale Sensoren etwa an Windrädern oder in smarten Stromzählern bereits geringe Abweichungen bei Produktion oder Verbrauch. Dazu kommen intelligente Prognosen zum Wetter oder Echtzeitinformationen aus dem Strommarkt. All diese Faktoren, Akteure und Datensätze werden logisch miteinander verknüpft: ein hochkomplexer Prozess, der gewährleistet, dass nirgendwo das Licht ausgeht. Smart Grids steuern die dezentral verteilten Produktionsstätten, stellen vorausschauend und flexibel Energie zur Verfügung oder parken überschüssigen Strom in Speichern. „Auf diese Weise sorgen Smart Grids für Stabilität und Versorgungssicherheit“, sagt enercity-Experte André Banas.

Eben darum stattet enercity zurzeit rund 30 Trafostationen im Raum Hannover mit Sensoren aus, die über das IoT fortlaufend Daten zum Betriebszustand oder zum Wartungsbedarf melden. Dadurch hat die enercity-Leitstelle alles im Blick und kann bei Bedarf schnell reagieren. Im alten Gaswerk in Hannover-Herrenhausen hilft ein Stromspeicher aus mehreren Tausend Lithium-Ionen-Batteriezellen dabei, Schwankungen auszugleichen, die beim Einsatz regenerativer Energien auftreten.

Das Smart Grid sorgt dafür, dass E-Autos mit preiswertem Nachtstrom geladen werden, während ihre Fahrer schlafen.

Morgens mit vollem Akku losfahren

Aber nicht nur das: Im Zuge der sogenannten Sektorenkopplung erstreckt sich die Energiewende auch auf die Bereiche Mobilität, Wärme oder Wasser. So sorgen Smart Grids unter anderem dafür, dass alle E-Auto-Fahrer, die ihr Fahrzeug abends an die Steckdose hängen, morgens wieder mit vollem Akku losfahren können, ohne dass das Netz überlastet wird. Denn: Das Smart Grid sorgt dafür, dass die E-Autos mit preiswertem Nachtstrom geladen werden, während ihre Fahrer schlafen. Dazu kommt: Über bidirektionale Ladestationen können Smart Grids angeschlossene Elektroautos sogar als Speicher für überschüssigen Strom nutzen, den diese bei Bedarf wieder abgeben.

Und auch die Netze für Fernwärme und für Wasser werden über das IoT intelligenter. So senden etwa intelligente Wärmemengenzähler Daten über das Internet direkt auf den Server der Fernwärmeanbieter. Dort werden sie verarbeitet und zum Beispiel für ein Abrechnungssystem oder eine Verbraucher-App bereitgestellt. Bei der Wasserversorgung wiederum können intelligente Messsysteme permanent Einspeisemenge, Druck, Durchflussgeschwindigkeit oder Temperatur erfassen. „So ergibt sich ein detailliertes regionales Bild“, sagt enercity-Experte Banas. Das Leitungsnetz müsse nicht mehr durchgehend und überall mit Maximalwerten betrieben werden, um im Bedarfsfall einen Sicherheitspuffer zu haben. Stattdessen können Druck oder Temperatur besser an die tatsächlichen Gegebenheiten angepasst werden.

Nächster Schritt: KI

Zurzeit arbeiten die IoT-Systeme meist noch mit zentralen Rechenzentren. In einer echten Smart City kommen dezentrale Systeme für künstliche Intelligenz zum Einsatz. Sie kommunizieren in privaten Wohnhäusern, in Fabriken und im öffentlichen Stadtraum miteinander und steuern gemeinsam die Versorgungsnetze. Das ermöglicht beispielsweise intelligente Straßenbeleuchtungen, die sich nur bei Bedarf anschalten, oder Parkplätze, die automatisch ihre Verfügbarkeit melden.

Experten erwarten, dass sich das Energienetz dann mit dem Internet der Dinge zum Internet der Energie verbinden könnte. Smart Homes würden dann mitdenken und planen, was mit der Energie passiert, die sie über die eigenen Solaranlagen erzeugen. „Dies ist sozusagen die nächste Ausbaustufe des Internets der Dinge“, sagt der Hamburger Trendforscher Lars Thomsen im Interview mit enercity.

Als ersten Schritt zu diesem Ziel entwickelt enercity gemeinsam mit Rockethome derzeit eine Quartiers-App. Diese wird nicht nur die Gebäude, sondern auch die Bewohner ganzer Stadtteile miteinander vernetzen. Dafür notwendige Daten werden über Sensoren geliefert – beispielsweise für Feinstaubmessungen – oder über Nutzungsdaten aus Gebäuden, Anlagen oder Fahrzeugen. „Damit“, sagt IoT-Experte Banas von enercity, „rückt echtes Smart Living immer mehr in Reichweite.“

25. Januar 2022
Erneuerbare Energien
Smart City
Klimaschutz

Text: Florian Sievers. Fotos: Getty Images (4).

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