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Die Energiewende transformiert unser Stromnetz: Mit einer fluktuierenden Energieerzeugung durch Windkraft und Photovoltaik an immer mehr dezentralen Standorten wird die bundesweite Energieversorgung volatiler und komplexer. Für eine sichere, zuverlässige und effiziente Energielogistik in Zeiten des Wandels muss sich die  Infrastruktur anpassen: Moderne APIs ebnen den Weg zum intelligenten Stromnetz. 

Das „Smart Grid“ oder „Internet der Energie“  transportiert neben Elektrizität einen gigantischen Datenstrom. Für das Energienetzwerk der Zukunft ist ein kontinuierlicher Datenaustausch zwischen einer wachsenden Anzahl beteiligter Akteure, Prozesse und Komponenten erfolgskritisch. Aber: Herkömmliche Punkt-zu-Punkt-Verfahren zur Datenintegration und Konnektivität scheitern an der Dynamik und Komplexität moderner Stromnetze. Die digitale Infrastruktur für die Energiewende braucht einen neuartigen, flexiblen und zukunftsfähigen Integrationsansatz. In diesem Beitrag lesen Sie

Das Stromnetz von morgen: komplex, dynamisch, dezentral 

Vergleichen wir zunächst das klassische Energieversorgungsmodell mit der Landschaft der Akteure, Geräte und Prozesse, die ein intelligentes Stromnetz künftig integrieren muss. 

Bis zur Jahrtausendwende war die Energieerzeugung zentral organisiert. Die bundesweite Verteilung der Strom- oder Lastflüsse bis zu den Verbraucher:innen verlief entlang einer hierarchisch strukturierten, linearen „Einbahnstraße“:

  • Einige wenige Großanbieter erzeugen über konventionelle Atom-, Kohle- oder Wasserkraftwerke Energie und speisen sie ins Stromnetz ein. 
  • Übertragungsnetze, die „Stromautobahnen“,  transportieren die Energie über weite Strecken zu den landesweiten Verbrauchsschwerpunkten. 
  • Ab dort übernehmen verschiedene Verteilnetze den Energietransport zu den Verbraucher:innen: Das Hochspannungsnetz versorgt die Bahn und stromintensive Großindustrien, das Mittelspannungsnetz liefert Strom an mittelständische Industrien und Gewerbe, und am Niederspannungsnetz hängen in der Versorgungsperipherie bzw. am Ende der Lieferkette die Stadt- und Ortsnetze mit kleingewerblichen und privaten Verbraucher:innen.

Balance of Power: Dispatch und Redispatch

Für ein stabiles Stromnetz muss zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort das Angebot der Nachfrage entsprechen, es braucht also eine Balance zwischen Energieerzeugung bzw. Einspeisung ins Netz und Energieentnahme bzw. Verbrauch. Ein Überangebot führt zu einem Überschuss an Leistung im Netz. Wird die Leistungskapazität des Stromnetzes überschritten, schalten sich betroffene Leitungsabschnitte automatisch ab. Dieser Sicherheitsmechanismus verhindert schwere Schäden an der Infrastruktur, belastet aber weitere Leitungsabschnitte zusätzlich und gefährdet die Regelversorgung. 

Das Abstimmungsverfahren Dispatch und Redispatch regelt die Synchronisation von Erzeugung und Verbrauch und vermeidet vorausschauend Überlastungsszenarien. Beim Dispatch legen die Kraftwerksbetreiber jeweils für den Folgetag fest, welche Kraftwerke zu welchem Zeitpunkt welche Leistung ins Netz einspeisen werden. Diesen verbindlichen Fahrplan reichen sie bei den Übertragungsnetzbetreibern ein, die auf dieser Informationsgrundlage den zu erwartenden Lastfluss durch das Stromnetz berechnen. Zeichnen sich für den Folgetag Engpässe ab, fordern die Übertragungsnetzbetreiber die Kraftwerke zu einer entsprechenden Regulierung der Leistungseinspeisung auf: das ist der Redispatch.

Die Abstimmung von Energieerzeugung und -verbrauch erfolgt im klassischen Energieversorgungsmodell in einem überschaubaren und berechenbaren Rahmen zwischen wenigen zentralen Akteuren: den Großerzeugern und den Übertragungsnetzbetreibern. Mit der Energiewende verändert sich die gesamte Energieversorgungslandschaft und die Anforderungen an das Energiemanagement steigen dramatisch.

Stromnetz reloaded: die Effekte der Energiewende

2002 trat das Gesetz für Erneuerbare Energien (EEG) in Kraft. Seitdem prägen besonders diese zwei Merkmale unsere Energielandschaft und steigern die Dynamik und Komplexität des Systems: 

  1. Fluktuierende Energieerzeugung: Windenergie und Photovoltaik, die wichtigsten erneuerbaren Energien, unterliegen wetterbedingten Schwankungen. Die Energieerzeugung über Wind und Sonne lässt sich deutlich schlechter steuern und planen.
  1. Dezentrale Energieerzeugung: Die Zahl der kleinen Kraftwerke, die erneuerbare Energie erzeugen, wächst schnell. Haushalte und Unternehmen, die in der Vergangenheit reine Energieverbraucher waren, beteiligen sich nun an der Energieerzeugung und -speicherung.

Das deutsche Stromnetz. Im Kontext der Energiewende spielen erneuerbare Energiequellen und die Stromerzeugung durch Kleinkraftwerke, Unternehmen und Privathaushalte eine zunehmend wichtige Rolle. Die Abstimmung aller Akteure wird komplexer. (Quelle: Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz)

Konnektivität und Integration: der Datenstrom im smarten Netz

Das Smart Grid ist die digitale Transformation des klassischen Stromnetzes und reagiert auf die beschriebenen Effekte und Herausforderungen der Energiewende. Moderne Informations- und Kommunikationstechnologien vernetzen alle Akteure, Komponenten und Prozesse der neuen Energielandschaft. Ziel ist eine intelligente und ressourcenschonende Synchronisation von Stromerzeugung, Verbrauch und Netz. Wichtige Meilensteine auf dem Weg zum Smart Grid sind der Redispatch 2.0 und die Lastverschiebung. 

Redispatch 2.0

Mit der wachsenden Anzahl dezentraler Energieerzeuger:innen und der damit verbundenen unkontrollierten Energieeinspeisung ins Netz stieg das Risiko unvorhersehbarer Leistungsschwankungen und instabiler Netzzustände. Das 2019 verabschiedete Netzausbau­beschleunigungs­gesetz (NABEG) unternahm vor diesem Hintergrund mit dem Redispatch 2.0 einen ersten regulatorischen Schritt in Richtung Smart Grid: Seit diesem Zeitpunkt werden auch mittlere und kleinere Stromerzeuger in den Redispatch eingebunden und müssen ihre Lasteinspeisung an die Netzbetreiber melden. Für die Datenübertragung müssen bundesweit zahlreiche Anlagen, Geräte und Prozesse informationstechnisch integriert werden.

Lastverschiebung

Mit der schwankenden erneuerbaren Energieerzeugung ist das Angebot am Energiemarkt nunmehr schwer regel- und planbar. Damit verschiebt sich die Lastenregulierung von den Anbietern zu den Verbraucher:innen und der Trend geht zu einem angebotsorientierten, flexiblen Energieverbrauch. Besteht ein Überangebot, etwa wenn die Windkraftanlagen in Norddeutschland bei Starkwind viel Strom erzeugen oder wenn der bundesweite Stromverbrauch am Wochenende und in den Nachtstunden sinkt, fallen die Energiepreise. Dieser wirtschaftliche Anreiz motiviert gewerbliche und private Verbraucher:innen zu einer entsprechenden zeitlichen Verschiebung ihres Energieverbrauchs.

Auch für die Lastverschiebung braucht es integrierte digitale Technologien: Smart Meter sind digitale Stromverbrauchszähler mit einem Kommunikationsmodul, das einen kontinuierlichen Datenaustausch zwischen Verbraucher:innen, Netzbetreibern und Erzeugern ermöglicht. Sie übermitteln nicht nur automatisch Verbrauch und Zählerstände an die Versorger, sondern informieren Verbraucher:innen tagesaktuell über dynamische Strompreise, damit diese ihren Energieverbrauch passend zur Angebots- und Nachfragesituation auf dem Strommarkt steuern können. 

Moderne APIs statt Punkt-zu-Punkt: Komplexität reduzieren, Kosten senken, Smartification beschleunigen

Der Integrationsaufwand auf dem Weg zum Smart Grid ist enorm. Die Anzahl von Geräten, Geschäftsprozessen und involvierten Organisationen, die für neue Energiekonzepte wie Smart City, Smart Building oder Smart Home koordiniert werden müssen, liegt noch um Dimensionen höher als beim Redispatch 2.0. Die Trendkurve in der folgenden Grafik visualisiert diesen exponentiellen Zusammenhang.. 

Ein herkömmlicher Integrationsansatz mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ist hier kaum tragfähig und führt zu ineffizienten, kosten- und zeitintensiven Redundanzen. Beispielsweise muss dieselbe Konnektivitätslogik zu intelligenten Zählern oder Ladestationen für verschiedene Smart-Grid-Anwendungsfälle redundant implementiert und gewartet werden.

Digitale Bausteine für die Integration: API-basierte Konnektivität

Für eine effizientere und vereinfachte Integration im Smart Grid braucht es einen neuen Lösungsansatz und ein neues Betriebsmodell: API-basierte Konnektivität ist ein methodisches Verfahren, das die Integrationslogik in wiederverwendbare Bausteine ​​strukturiert. Diese Bausteine ​​werden über moderne APIs paketiert und publiziert. Damit stehen sie zur Wiederverwendung für weitere Smart-Grid-Projekte zur Verfügung. Auf organisatorischer Ebene hilft dieser Ansatz, Teams zu entkoppeln und fördert dezentrale Agilität und Innovation.

MuleSoft im Smart-Grid-Kontext  

MuleSoft unterstützt API-basierte Integration mit einer ganzheitlichen Lösung, die aus drei Säulen besteht:

  • Methodologie: API-led Connectivity beschreibt, wie man Integrationslogik strukturiert in moderne APIs verpackt und als wiederverwendbare Bausteine publiziert.
  • Technologie: Die Anypoint-Plattform stellt eine Werkzeugpalette bereit, die den gesamten Lebenszyklus von Modern APIs unterstützt.
  • Betriebsmodell: Das Center for Enablement (C4E) besteht aus organisatorischen Best Practices zur Förderung der Wiederverwendung in großem Maßstab.

Um die Anypoint-Plattform im Kontext Smart Grid einzuordnen, betrachten wir das European Smart Grid Architecture Model (SGAM). Es standardisiert die Beschreibung von Smart Grid-Architekturen und hilft, Lösungen hinsichtlich verschiedener Dimensionen zu kategorisieren. 

Übersicht des Smart Grid Architecure Model (SGAM), Quelle: Prössl, Kastner, Strasser: Engineering Smart Grids, 2017

Die Domänen auf der x-Achse bilden die Komponenten der elektrischen Energieversorgung ab, wie sie weiter oben im Artikel beschrieben wurden: Generation (Großerzeuger), Transmission (Übertragungsnetz), Distribution (Verteilnetz), Distributed Energy Resources (verteilte Energieerzeuger) und Customer Premises (Kunden / Prosumer). 

Die  y-Achse beschreibt die Hierarchieebene der Systemarchitektur in 6 Zonen:

  • Market: Energiemarkt-Operationen und -Interaktionen
  • Enterprise: kommerzielle und organisatorische Prozesse
  • Operation: übergeordnete Steuerung des Energiesystems, z. B. des Verteilnetzes
  • Station: lokale Überwachung, Steuerung und Datenerfassung 
  • Field: Schutz, Steuerung und Überwachung
  • Process: Physikalische Energieversorgungsanlagen

Die folgende Abbildung zeigt, wie sich die MuleSoft Anypoint-Plattform in die Smart-Grid-Systemarchitektur einfügt.

Die Konnektivitäts- und Integrationsfähigkeiten der Anypoint-Plattform kommen schwerpunktmäßig in den Ebenen Market, Enterprise und Operation zum Tragen. Sie ergänzen damit perfekt die Funktionen der in der Industrie verbreiteten Smart-Grid-Konnektivitätslösungen und -Technologien, die sich vornehmlich auf die Ebenen Station, Field und Process konzentrieren. MuleSoft bietet sich in diesem Kontext als Brücke zwischen OT und IT an. Darüber hinaus erfüllen die hohen Sicherheits- und Governance-Standards der Anypoint-Plattform die Anforderungen kritischer Systeme in diesem Umfeld.

Aktueller Report
Deshalb sind wir Leader für API Management und iPaaS

Zusammenfassung  

Mit der Transformation zum Smart Grid wächst die Anzahl der Integrationen zwischen Geräten, Geschäftsprozessen und involvierten Organisationen exponentiell. Herkömmliche Punkt-zu-Punkt-Integrationen sind für das schnell wachsende, dynamische und komplexe Netzwerk nicht geeignet. MuleSoft bietet mit der Wiederverwendung von Integrationslogik in paketierten API-Bausteinen einen effizienten und ganzheitlichen Lösungsansatz für die digitale Transformation des Stromnetzes.