Atmende Energieversorgung für die Energiewende

4. Juni 2020
Juni 2020

Im Strommarkt von morgen müssen Verbrauch, Produktion und Speicherung von Energie permanent aufeinander abgestimmt werden. Die «atmende» Energieversorgung von aliunid steuert diesen komplexen Vorgang dank intelligenter, dezentraler und sicherer IoT-Technik – und ermöglicht damit das Umsteigen auf Solar- und Windenergie.

Andreas Danuser, Professor für Computer-Science, BFH
Mit der Energiestrategie 2050 hat sich die Schweiz ehrgeizige Ziele gesetzt: Bis 2050 will das Land auf Kernkraftwerke und fossile Brennstoffe verzichten – auf rund 80 Prozent der heutigen Energieträger. Im Stromsektor steht die Schweiz dank hoher Verfügbarkeit von Wasserkraft gut da. Aber der Strombedarf wird vor allem infolge zunehmender E-Mobilität und Digitalisierung massiv steigen. Solar- und Windanlagen können die Nachfrage im Prinzip decken. Doch es sind unzuverlässige (stochastische) Energieträger. Sie produzieren Strom, wenn die Sonne scheint und der Wind weht, aber nicht unbedingt dann, wenn er benötigt wird. Ist die Diskrepanz zu gross, wird das Stromnetz instabil, und der Blackout droht. Eine ökologische Stromversorgung muss also Angebot und Nachfrage in Einklang bringen sowie Überschussenergie einspeichern oder Energielücken beheben, indem zuvor gespeicherte Energie verfügbar gemacht wird – permanent und auf allen Ebenen von der Steckdose und der privaten PV-Anlage bis zum grossen Speicherkraftwerk in den Alpen. Das digitale Energieversorgungsunternehmen aliunid («all you need»), das mit der BFH eine intensive Partnerschaft pflegt, weist den Weg, um die Aufgabe zu bewältigen. Wie in der Energiestrategie 2050 steht bei aliunid nicht mehr der traditionelle Energieproduzent im Mittelpunkt, der in Grossanlagen produzierten Strom nach dem Top-down-Konzept an die Endverbraucher verteilt. Das Bottom-up-Konzept setzt beim (Solar-)Strom produzierenden Konsumenten (Prosumer) sowie beim regionalen Energieversorger an.

Integrierte Stromversorgung als Ziel

Das Konzept von aliunid besteht darin, den dezentralen Flexibilitätsmarkt (die Prosumer) und den zentralen Flexibilitätsmarkt (die grossen Stromproduzenten und -verteiler) in einer integrierten Stromversorgung zu vereinen. Dazu braucht es eine permanente Messung und Steuerung von Angebot und Nachfrage in einem bisher undenkbaren Detaillierungsgrad. Konkret funktioniert das so: Ein Kleincomputer erfasst sekündlich die Energiedaten meines Haushalts – wie viel Strom die PV-Anlage auf dem Dach gerade produziert, den Ladezustand der Batterie meines Teslas sowie den aktuellen Bedarf von Kochherd, Waschmaschine, Heizung und Beleuchtung. Alle fünf Sekunden sendet der Rechner vier Informationen an die nächsthöhere Ebene (zum Beispiel mein Quartier): Stromproduktion und -verbrauch sowie die vorhandenen Kapazitäten, überschüssigen Strom abzugeben oder überschüssigen Strom der Nachbarn aufzunehmen. Dann setzt die Steuerung ein: Produzieren meine Nachbarn gerade zu viel Strom, «atmet» mein Haus diesen ein: Die Batterie des Teslas wird geladen, die Waschmaschine startet. Will ich aber heute nicht waschen und ist mein Tesla vollgeladen, stelle ich meinen Solarstrom den Nachbarn zur Verfügung, die gerade zu wenig für den Eigenbedarf produzieren. Jetzt «atmet» mein Haushalt Energie aus. Nach dem gleichen Prinzip schafft aliunid den Ausgleich zwischen Quartieren, Städten, Regionen und Ländern. Auf der obersten Ebene können grosse Pumpspeicherkraftwerke Angebot und Nachfrage synchronisieren. Doch sie sind zu träge, um die Differenzen im dezentralen Flexibilitätsmarkt ständig auszugleichen. Entscheidend ist die Fähigkeit, Lastverschiebungen und Speicherkapazitäten auf jeder Ebene des Versorgungsnetzes flexibel zu managen – bis hinunter zum Ein- oder Ausschalten der Waschmaschine. Genau dies kann aliunid.
Die Energieflüsse in einem «atmenden» Haus

Sichere Cloud-Technologie im Feldtest

Basis von aliunid ist nicht ein zentraler Grossrechner, sondern die ursprünglich an der BFH konzipierte SIOT-Plattform (Swiss Internet of Things), eine rein schweizerische Cloud-Technologie, die auf einem Schwarmansatz basiert. Darüber laufen der Datenaustausch und die Laststeuerung. Innerhalb des Start-up-Unternehmens aliunid ist die BFH die Partnerin für die IoT-gestützte Informationsplattform. Wichtige Forschungsaufträge für die Schule betreffen etwa die Cybersicherheit und den Datenschutz. Die «atmende» Energieversorgung ist auf viele Informationen aus privaten Haushalten angewiesen. Nur wenn ein Missbrauch ausgeschlossen ist, erhält aliunid das Vertrauen der Endkunden. Ein Jahr nach den ersten Überlegungen startete aliunid im Mai 2019 mit Unterstützung des Bundesamts für Energie einen Feldtest. Neben 3 grossen Wasserkraftproduzenten beteiligen sich 15 mittelgrosse Energieversorger und gut 400 Haushalte (2000 bis Ende 2020) am Probelauf vor der geplanten Markteinführung 2021. Dazu kommen die ETH Zürich, die Empa, die HES-SO Wallis und die BFH, die grosse Erfahrung bei der Umsetzung neuer Technologien in marktfähige Anwendungen einbringt.

Energie sparen und CO 2 vermeiden

Damit die «atmende» Energieversorgung auf Akzeptanz stösst, entwickelt aliunid eine anwenderfreundliche App, die dem Prosumer spannende Informationen in Echtzeit liefert: wie viel Strom er produziert, wie viel er verbraucht, wie viel dieser Strom kostet und – zentral für die Beeinflussung des ökologischen Footprints – wie viel CO2 im gerade verbrauchten Strom steckt (ein Wert, der je nach Tageszeit, Wochentag und Jahreszeit stark variiert). Diese Informationen motivieren dazu, den Stromverbrauch ökologisch zu optimieren und die persönliche Energieeffizienz zu steigern. So soll zunächst ein Energiesparpotenzial von zehn Prozent realisiert werden. Ein grosser Mehrwert für den Kunden entsteht schliesslich durch die Anbindung der App an Smart-Home-Anwendungen für die energieoptimierte Steuerung von Beleuchtung und Heizung, für die Raumüberwachung und für vieles mehr. Erst das Internet of Things hat es ermöglicht, riesige Datenmengen dezentral, flexibel und in Echtzeit zu verwalten, wie dies für eine «atmende» Energieversorgung unerlässlich ist. Dank ihrer grossen Kompetenz auf diesem Gebiet leistet die BFH als Projektpartnerin einen wichtigen Beitrag beim Aufbau einer CO2-freien, nachhaltigen und wirtschaftlichen Energieversorgung in der Schweiz.