Marco Pultz
02.02.2016

Kein Smart Grid ohne intelligente Mess- und Steuersysteme - StromPager als notwendige Ergänzung zur Gateway-Infrastruktur

Die Energiewende in Deutschland schreitet voran. Der damit einhergehende rasante Ausbau von regenerativen Energien und die fluktuierende Stromerzeugung führt unser Stromnetz an seine Belastungsgrenze.Der bevorstehende notwendige milliardenschwere Netzausbau kann jedoch durch den Einsatz von intelligenten Netztechnologien zur Realisierung eines Erzeugungs- und Lastmanagements reduziert werden. Diese befinden sich aktuell in der Entwicklungs- und Testphase. So werden erste standardisierte Lösungen für 2017 in Form von intelligenten Messsystemen erwartet. Der geplante stufenweise Rollout intelligenter Messsysteme wird aufgrund seines Umfangs weitere Jahre in Anspruch nehmen, um erste Konzepte der intelligenten Netze (Smart Grids) zu realisieren.

 

Mit „intelligenten Messsystemen“ sicher und zuverlässig in die Zukunft

Ein intelligentes Messsystem setzt sich grundsätzlich aus 2 Komponenten zusammen:

  • Der intelligente Zähler, bei dem es sich um einen digitalen Stromzähler handelt, der in der Lage ist, Energieverbräuche und -erzeugung über den tatsächlichen Nutzungszeitraum zu erfassen und so für den Verbraucher transparent zu machen.
  • Wird zusätzlich ein Smart Meter Gateway (SMGW) als Kommunikationseinheit verbaut, ergeben sich für die Strommarktteilnehmer verschiedene Use Cases, um ein Smart Grid zu realisieren. Großes Interesse verfolgt man hier bei der Steuerung der dezentralen Energieerzeuger (z. B. Photovoltaik- und Windkraftanlagen).

Die Eingliederung der Erzeugungs-, Verbrauchs- und Messinfrastruktur in das globale Kommunikationsnetz unterliegt zum Schutz der sensiblen Netzinfrastruktur und Endkundendaten den enorm hohen Sicherheitsanforderungen des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik, im Detail der Technischen Richtline BSI TR-03109. Die zertifizierte Kommunikation, Inhaltsdatenverschlüsselung und Anonymisierung gewährleisten die Basis einer sicheren Kommunikation. Mit Hilfe dieser intelligenten Messinfrastruktur soll es gelingen, die durch fluktuierende Energieerzeugung zunehmenden Schwankungen im Verteilnetz zu reduzieren.

Da sich Sonne und Wind nicht auf unser Verbrauchsverhalten einstellen, müssen Stromerzeugung- und Verbrauch in Zukunft besser aufeinander abgestimmt und gesteuert werden. Eine wichtige Säule im Kampf gegen die zunehmenden Lastdifferenzen stellt die Möglichkeit der Einzel- und Gruppensteuerung dezentraler Anlagen dar. Unter Gruppensteuerung ist hier die Möglichkeit gemeint, mehrere betroffene Anlagen (bspw. Photovoltaik-Anlagen auf Einfamilienhäusern) mit Hilfe eines Steuerbefehls, den der Netzbetreiber auslöst, gebündelt zu steuern und damit die aktuelle Einspeisung zu erhöhen oder zu reduzieren.

Photovoltaik-Anlage

 

Die Herausforderung - Kommunikation zu jeder Zeit, an jedem Ort

Zur Realisierung einer flächendeckenden intelligenten Messinfrastruktur bedarf es einer ebenso verfügbaren und flächendeckenden Kommunikationsinfrastruktur. Diese Grundvoraussetzung stellt die Betreiber der Messsysteme vor eine große Herausforderung, denn in Deutschland herrschen je nach Region und Technologie nicht zu unterschätzende Versorgungslücken (vor allem in ländlichen Regionen) und ein Mangel an verfügbaren Kommunikationsalternativen (kabel- oder funkgebunden). So steigen mit der stetig zunehmenden Anzahl kleiner Erzeugungsanlagen auch die Anforderungen an die verfügbare Kommunikationsinfrastruktur. Darüber hinaus wurden in der angehängten Masterthesis verschiedene Schwachstellen in der SMGWA-Infrastruktur bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit im Anwendungsfall einer Gruppensteuerung identifiziert. 

Ein weiteres Problemfeld bildet die Erreichbarkeit von freistehenden Anlagen (z. B. Windanlage in unbewohntem Gebiet) und in Kellerräumen verbaute Messinfrastruktur, bei der es systembedingt (bei funkgebundener Kommunikation) zu Problemen bei der Gebäudedurchdringung kommen kann. Dieses Problem ist sicherlich jedem schon einmal aufgefallen, dessen Mobilfunkempfang innerhalb von Gebäuden oder in Kellerräumen versagt hat. Neben der Verfügbarkeit muss die Kommunikationsstrecke auch über Ausfallsicherheit in Situationen mit hohem Kommunikationsaufkommen (Großveranstaltungen und Krisen) verfügen.

An dieser Stelle kommt das Sicherheitsfunknetz der e*Message ins Spiel, um in netzkritischen Situationen sicher und stabil schalten zu können.

 

Gruppensteuerung mit Sendeinfrastruktur der e*Message und Softwarelösung der Bosch Software Innovations GmbH - schon heute möglich

Die in der angehängten Masterthesis vorgestellten Lösungsansätze sollen den Blick für neue Wege öffnen. So soll eine hybride Kommunikationsinfrastruktur, bestehend aus Gateway (mit konventioneller leitungs- oder funkgebundener Kommunikationsanbindung) und einem e*Message Funkempfänger, dem StromPager von den jeweiligen Stärken und Schwächen der jeweiligen Kommunikationstechnologie profitieren.
Die integrierte e*Message Infrastruktur kann beispielsweise genutzt werden, um Gruppensteuerbefehle an dezentrale Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen zu versenden. Somit kann die Lücke des ressourcenintensiven Szenarios der Gruppensteuerung (im Fall von Einzelverbindungen über die SMGW-Infrastruktur) geschlossen werden. Darüber hinaus kann das Funknetz genutzt werden, um den im aktuellen Entwurf des Messstellenbetriebsgesetz zweiten Kommunikationskanal zur Realisierung von Vorrangschaltungen des Verteilnetzbetreibers zu realisieren. Ein weiteres Szenario begründet sich aus der Notwendigkeit, bestehende, teils veraltete und sehr kostenintensive Tonfrequenz-Rundsteuerungs-Infrastrukturen zu ersetzen.
Aber auch der völlig neue Ansatz eines Prepaid-Systems, zur Reduzierung von Sperrkosten für Verbraucher und Messstellenbetreiber, ist in Verbindung mit dem Strompager realisierbar. Ein bereits heute im Einsatz befindliches zuverlässiges, leistungsfähiges und sicheres Umsetzungsbeispiel kann in diesem Blog unter der Überschrift: „6 Gründe, wieOne-Way-Kommunikationstechnologien helfen, IoT-Lösungen heute umzusetzen“ nachgelesen werden. Hier wurde eine Smart-Grid Lösung für die Stromnetz Berlin GmbH realisiert, mit der es unter anderem möglich ist Nachtspeicheröfen, Straßenbeleuchtung, Wind- und PV-Anlagen zu steuern. Dazu lieferte die Bosch Software Innovations GmbH eine intelligente Softwarelösung zur Verwaltung der mittels „e*Nergy“-Dienst der e*Message abgewickelten Steuerbefehle.
Die skizzierten Anwendungsfälle sollen verdeutlichen, dass die StromPager-Infrastruktur als Ergänzung zum Smart Meter Gateway neben dem systembedingten Vorteil zur Realisierung einer Gruppensteuerung in der Fläche auch durch die hohe Verfügbarkeit und die hohen Sicherheitsstandards dazu beitragen kann, der Herausforderung von Gruppensteuerungen einer ständig zunehmenden Anzahl von dezentralen Erzeugungsanlagen und Speichervorrichtungen zu begegnen.

 

Masterthesis zum Thema diskutiert Lösungsansatz für den beschriebenen Anwendungsbereich

„Eine kritische Betrachtung des Kommunikationsszenarios „Steuerung von Lasten im Smart Grid“ nach BSI TR-03109 und die Vorstellung eines Erweiterungsszenarios“ In meiner Masterthesis kann die detailliertere Betrachtung der geschilderten Thematik nachgelesen werden. Es wird ein Lösungsansatz einer Integration von StromPagern in die SMGW-Infrastruktur diskutiert und in ein mögliches Rolloutszenario eingeordnet. Der Fokus liegt auf einer optimierten Gruppensteuerung von Speicher- und Erzeugungsanlagen als Hybridlösung mit der geplanten SMGW-Infrastruktur und dessen IP-basierter Kommunikationseinrichtung. Die Masterarbeit wurde in Zusammenarbeit mit der Bosch Software Innovations GmbH erstellt. Bosch Software Innovations arbeitet an Lösungen für den Messstellenbetrieb der Zukunft und an Konzepten die dazu beitragen, unsere Stromnetze für die Anforderungen der Zukunft zu wappnen. Das oben angesprochene Beispiel einer intelligenten Softwarelösung für die Stromnetz Berlin GmbH stellt einen Teil der breiten Lösungs- und Produktpalette dar. Weitere Unterstützung erhielt ich vom örtlichen Verteilnetzbetreiber, der Stromnetz Berlin GmbH sowie dem Sicherheitsfunknetzbetreiber e*Message W.I.S. GmbH.

Ich möchte die Gelegenheit nutzen und mich auf diesem Wege bei allen Beteiligten für die tolle Unterstützung bedanken.

Marco Pultz
Softwareentwickler (Produktgruppe Energy)
Bosch Software Innovations GmbH