Das Smart Grid ist ein fester Bestandteil der modernen globalen Infrastruktur. Durch den Einsatz von Digitaltechnik, Zwei-Wege-Datenübertragung, drahtlosen Netzwerken und intelligenten Netzmanagementsystemen können Stromverteilungssysteme die Energieeffizienz drastisch optimieren und die Kosten für die Verbraucher senken.
Diese Initiative zur Masseneinführung wird weitgehend durch das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) ermöglicht, einer Kombination aus intelligenten Sensoren, Kommunikationsnetzen und Datenverarbeitung. Das Internet der Dinge hat es ermöglicht, dass sowohl neue als auch alte elektrische Infrastrukturen „intelligent“ und effizienter werden.
In diesem Artikel wird aufgezeigt, wie Smart-Grid-IoT-Systeme zu Advanced-Metering-Infrastrukturen (AMI) und anderen Smart-Grid-Technologien beitragen.
Intelligente Zähler
Die häufigste Anwendung des IoT in intelligenten Stromnetzen sind intelligente Stromzähler. Bei diesen Zählern handelt es sich um netzgekoppelte Versorgungszähler, die den Verbrauch und den Status von Versorgungsleistungen an der Verbrauchsstelle oder an kritischen Verteilungspunkten innerhalb einer Netzinfrastruktur überwachen und eine Zwei-Wege-Kommunikation mit dem Versorgungsunternehmen ermöglichen.
Am wichtigsten ist, dass intelligente Zähler dazu beitragen, die Energieverschwendung zu reduzieren. Frühere Studien der Europäischen Kommission aus dem Jahr 2012 ergaben, dass die Einführung intelligenter Zähler die Stromrechnung von Haushalten um durchschnittlich 12 % senkte, während gewerbliche Großverbraucher 58 % einsparten.
In der Vergangenheit mussten die Zähler den Stromverbrauch eines Kunden manuell erfassen. In der Anfangszeit der Zählerablesung bei Versorgungsunternehmen war es erforderlich, dass die Mitarbeiter des Versorgungsunternehmens die Zählerstände in bestimmten Zeitintervallen, z. B. alle zwei Monate, physisch ablesen mussten, was kostspielig und ineffizient war.
Die Technologie der automatischen Zählerablesung (AMR) war der erste Schritt zu einem intelligenten Stromnetz. Allerdings gelten selbst fernüberwachte, AMR-fähige Stromzähler nicht als „intelligent“, da sie keine Zwei-Wege-Kommunikation ermöglichen.
Moderne intelligente Zähler ermöglichen es den Versorgungsunternehmen, die vom intelligenten Zähler stammenden Daten zu sammeln und Befehle, Aktualisierungen und Informationen an den Zähler zu senden. Ein Anbieter kann den Service auch aus der Ferne abschalten oder regulieren, z. B. die Stromversorgung bei einer Immobilie abschalten, die in Zahlungsverzug geraten ist. Er kann auch modulierte Verbrauchsschwellen für zeitabhängige Preise festlegen.
Intelligente Zähler sind am häufigsten in Stromversorgungsanwendungen zu finden, werden aber auch zur Überwachung von Erdgas und Wasser eingesetzt. Intelligente Stromzähler ermöglichen die Erfassung des Stromverbrauchs in Echtzeit, Benachrichtigungen über Stromausfälle, bidirektionale Strommessung (wenn der Strom vom Endpunkt erzeugt wird, z. B. über Sonnenkollektoren), Überwachung der Stromqualität, Fernabschaltung von Services und Software zum Management von Zählerdaten.
Das IoT und die moderne Zählerinfrastruktur in intelligenten Netzen
Intelligente Zähler sind nur so „intelligent“ wie die Infrastruktur, an die sie angeschlossen sind. Mit der IoT-Technologie können intelligente Zähler physisch und/oder drahtlos mit dem Netzmanagement des Versorgungsunternehmens verbunden werden. Bei intelligenten Stromnetzen vernetzen sich die intelligenten Zähler in einem lokal begrenzten Netz, das dann an ein lokales Versorgungszentrum übertragen wird. Diese Hubs sind dann mit anderen lokalen Hubs sowie mit den zentralen IT-Hubs des Versorgungsunternehmens verbunden, damit dieses bedarfsorientierte Optimierungs- und Smart-Grid-Management-Verfahren anbieten kann.
Die fortschrittliche Zählerinfrastruktur ist das Ergebnis der IoT-Technologie für intelligente Netze und nutzt sowohl drahtgebundene als auch drahtlose IoT-Kommunikationstechniken. Der intelligente Zähler EnergyAxis REX2-EA von Byram Labs beispielsweise nutzt sowohl die drahtlose 900-MHz- als auch die 2,4-GHz-ZigBee-Kommunikation, um als Endpunkt eines mit einem Mesh-Netzwerk verbundenen intelligenten Zählers sowie als Gateway für andere intelligente Energiegeräte im Haus zu fungieren. Ein Array von intelligenten Zählern, die über ein drahtloses Mesh-Netzwerk verbunden sind, kann dann beispielsweise mit einem Hub verbunden werden, der über eine Festnetz-, Glasfaser- oder andere Telekommunikationsinfrastruktur mit den IT-Servern des Versorgungsunternehmens verbunden ist.
Eine fortschrittliche Zählerinfrastruktur ist viel mehr als nur eine Reihe von intelligenten Zählern. Vielmehr besteht diese hochentwickelte Infrastruktur aus intelligenter Zählerhardware und -software, den Kommunikationsnetzen, die alle Teilnetze und Hubs miteinander verbinden, Software für das Zählerdatenmanagement und IT-Systemen sowie den Betriebssystemen der Versorger, die die Verarbeitung der von einem intelligenten Stromnetz erzeugten Daten ermöglichen.
ABBILDUNG 1: Ein stark vereinfachtes intelligentes Stromnetz, das das Innenleben der Stromerzeugung, -verteilung, -nutzung und -steuerung veranschaulicht.
In der obigen Abbildung trägt jeder Knotenpunkt und jeder Endpunkt innerhalb des Stromnetzes zur fortschrittlichen Messinfrastruktur bei. Hochentwickelte Datenverwaltungssoftware und -hardware wird eingesetzt, um den erzeugten und verbrauchten Strom zu erfassen, zu verstehen, zu managen und zu optimieren, was alles zur Advanced-Metering-Infrastruktur und zum Smart Grid beiträgt.
Weltweite Einführung moderner Zählerinfrastrukturen
Intelligente Zähler und fortschrittliche Zählerinfrastrukturen werden weltweit in rasantem Tempo eingeführt. Die Einführung der Smart-Grid-Technologie ist jedoch von Kontinent zu Kontinent, von Land zu Land, von Staat zu Staat und von Stadt zu Stadt unterschiedlich.
In Ländern mit strengen Bestimmungen zur raschen Bekämpfung des Klimawandels ist die Einführung intelligenter Zähler viel weiter verbreitet. Derzeit hat die Europäische Union die höchsten Verbreitungsraten von intelligenten Zählern zu verzeichnen, mit einem ursprünglichen Ziel aus dem Jahr 2014, bis 2020 80 % der Endpunkte von Versorgungsunternehmen mit intelligenten Zählern auszustatten. Dieses Ziel wurde bis 2020 nicht erreicht, aber viele Länder innerhalb der EU haben dieses Ziel erreicht.
Länder wie Schweden (100%ige Einführung), Finnland (100%ige Einführung), Estland (98%ige Einführung) und Dänemark (80%ige Einführung) haben die 2014 festgelegten Benchmarks erreicht. Länder wie Deutschland, die Tschechische Republik, Griechenland, Kroatien und Zypern haben sich jedoch gegen die Einführung von intelligenten Zählern entschieden, aufgrund von Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes, insbesondere im Zusammenhang mit den IoT-Aspekten intelligenter Zähler, oder aufgrund der Nichterfüllung rechtlicher Anforderungen.
Im Vergleich dazu haben die USA (das Land mit dem zweithöchsten Stromverbrauch weltweit) im Jahr 2020 eine Durchdringungsrate von intelligenten Zählern von etwa 50 %. Das sind insgesamt 102 Millionen AMI-Installationen, wobei laut EIA nur in sechs Staaten mehr als 80 % der Haushalte über intelligente Zähler verfügen (Kalifornien, Georgia, Maine, Michigan, Oklahoma, Vermont). Weitere sechs Bundesstaaten haben Vorschriften erlassen, die auf eine künftige Umsetzungsrate von 80 % abzielen, aber es gibt keine landesweiten Anforderungen für die Einführung intelligenter Zähler ab 2022.
Weitere Informationen über die weltweite Marktakzeptanz und die Prognosen für die Nutzung von intelligenten Zählern, die Hindernisse für die Einführung von intelligenten Zählern und die Herausforderungen bei der Gestaltung von intelligenten Zählern finden Sie in unserem Artikel Smart meters: Designing a key part of the smart grid ecosystem.
Eine Zukunft der intelligenten Netze und des IoT
Die weltweiten intelligenten Stromnetze hängen in hohem Maße von der schrittweisen Einführung intelligenter Zähler und der zu ihrer Unterstützung erforderlichen IoT-Infrastruktur ab. Weltweit gibt es dramatische Fortschritte bei der Nutzung von Smart-Grid-Technologien, um den Energieverbrauch zu optimieren, Energieverschwendung zu reduzieren, den Verbrauchern Geld zu sparen und den Klimawandel zu bekämpfen. Es gibt viele Hindernisse, die einer breiten Einführung von intelligenten Stromnetzen entgegenstehen, aber das Internet der Dinge (IoT) ermöglicht die Einführung wesentlicher intelligenter Netzinfrastrukturen auf der ganzen Welt.
