Carsten Hofmann
24.06.2020

Unterschiedliche Optionen beim Massenschalten sowie in der Störungs- und Notfallkommunikation

Überblick Kommunikationslösungen

Über die LPWAN-Technologie wird in der Umsetzung der Energiewende immer mehr gesprochen. Kann sie hier eine zunehmend wichtigere Rolle spielen? Schließlich müssen künftig Erzeugung und Verbrauch in Stromnetzen kostengünstig erfasst sowie stabil und sicher gesteuert werden. Wir geben Ihnen mit diesem Beitrag einen Überblick über unterschiedliche zur Verfügung stehende Möglichkeiten, Technologien und Anwendungen.

LPWAN und die Energiewende

Die Energiewende ist ein Kraftakt, der Gesellschaft und Wirtschaft viel abverlangt. Einer anfänglich spürbaren Euphorie für eine nachhaltige und sichere Energieversorgung sind schrittweise eher nüchterne Kosten-Nutzen-Analysen gefolgt. Denn um die gesteckten Ziele erreichen zu können, sind Kompromisse und Kooperationsbereitschaft erforderlich. Ähnliches gilt für die Kommunikation im Störungs- oder Notfall.

Ein Baustein im Gesamtprojekt einer auf regenerative Energien ausgerichteten Wende sind Lösungen speziell für das Stromnetz, die steigenden Steuerungsanforderungen gerecht werden. Zur Sicherstellung der Stabilität im Stromnetz müssen Netzbetreiber dezentrale Energieverbrauchs- und Energieerzeugungsanwendungen fernsteuern.

Eine tragende Rolle kommt hier dem Kommunikationskanal zu. Was bietet die LPWAN-Technologie (Low Power Wide Area Network) in diesem Zusammenhang? Hohe Netzabdeckung und geringer Energieverbrauch sind zentrale Kriterien bei der Nutzung eines solchen Funknetzwerks. Eine große Zahl von Geräten soll dauerhaft miteinander verbunden sein und insgesamt kostengünstig arbeiten. Eine Universallösung, die sämtliche wünschenswerte Vorteile in sich vereint, gibt es allerdings nicht.

Kommunikationslösungen im Überblick

Grundsätzlich muss die Bewertung einer Lösung danach erfolgen, ob die grundlegenden Anforderungen für den geplanten Einsatzfall erfüllt werden. Für die hier betrachteten Anwendungen sind diese unter anderem die Wahrscheinlichkeit, mit der eine Meldung in einer bestimmten Zeit beim Empfänger ankommt, sowie die Kosten für Anschaffung und Betrieb.

LoRaWAN – die Campuslösung

Für LoRaWAN (Long Range WAN) muss ein eigenes Netz aufgebaut und betrieben werden. Dies geht mit Startkosten sowie Personalaufwand für Planung und Betrieb einher. Deshalb eignet sich LoRaWAN prinzipiell gut für den Einsatzfall mit vielen Geräten auf begrenztem Raum.

Vorteil: Niedrigerer Energieverbrauch im Vergleich zu GSM/LTE-Lösungen

Nachteil: Eingeschränkte Sicherheit und begrenzte Möglichkeiten, Daten zum Empfänger zu schicken

Kostenschätzung: Rund 300 bis 3.000 Euro für eine Basisstation, rund 10 bis 20 Euro je Modul, neben Personalkosten auch Kosten für die Netzwerkverwaltung (liegen deutlich über den Investitionskosten)

Eine allgemeine Steuerungslösung mehrerer Geräte ist mit dieser Technologie praktisch nicht effizient umzusetzen.

NB-IoT – die „Kampflösung“ der Mobilfunkanbieter

NB-IoT (Narrowband-IoT) ist eine Schmalbandfunktechnologie. Sie nutzt eine bestehende Infrastruktur von LTE- und GSM-Netzanbietern, um eine Kommunikation mit niedriger Bandbreite für IoT-Geräte möglich zu machen. Grundsätzlich ist dies also eine gute Lösung für einen räumlich verteilten Einsatz.

Vorteil: Große Abdeckung (abhängig vom Provider)

Nachteil: Relativ hohe Latenz bei Kommunikation zu den Geräten – evtl. problematisch für sehr zeitkritische Anwendungen im Minutenbereich

Kostenschätzung: Rund 10 bis 20 Euro je Modul, 1 bis 2 Euro Betriebskosten pro Jahr (anwendungsabhängig)

Wegen der langen Latenzzeit ist eine allgemeine Steuerungslösung mehrerer Geräte mit dieser Technologie praktisch nicht effizient umzusetzen.

Sigfox – große Abdeckung, geringe Kosten

Mit Sigfox ist eine großflächige Abdeckung möglich, die sich individuell erweitern lässt. In Deutschland nennt der Betreiber aktuell eine Abdeckung von rund 85 Prozent. Ausbau und Verfügbarkeit sowie die jeweiligen individuellen Erweiterungen sind eng an die wirtschaftliche Entwicklung des französischen Betreiberunternehmens Sigfox gekoppelt.

Vorteil: Individuelle Verbesserung der Versorgung bei Aufbau einer eigenen Basisstation (500 bis 2.000 Euro)

Nachteil: Steuerung der Geräte über das Sigfox-Netz praktisch sehr eingeschränkt beziehungsweise unmöglich

Kostenschätzung: 0,1 bis 3 Euro Hardware-Kosten je Modul, 1 bis 2 Euro Jahresgebühr

Sigfox gehört zwar zu den günstigsten Lösungen speziell für den Geräteeinsatz. Eine allgemeine Steuerungslösung mehrerer Geräte ist mit dieser Technologie praktisch aber nicht umzusetzen.


LTE Cat-M1 – Mobilfunk-Profilösung und Spezialfunknetz (450 MHz)

LTE Cat-M1 ist die für die Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) optimierte Variante des LTE-Dienstes. In Deutschland haben die großen Mobilfunkbetreiber angekündigt, diesen Dienst in den kommenden Jahren anbieten zu wollen. Außerdem wird derzeit diskutiert, ob die Sicherheitsbehörden und die Betreiber kritischer Infrastrukturen, hauptsächlich in der Energiewirtschaft, ein Netz auf der Grundlage von Frequenzen im Bereich 450 MHz betreiben oder nutzen wollen.

Vorteil: Bessere Versorgung als die anderen LTE-Varianten und weniger Bandbreite

Nachteil: Abhängigkeit der Versorgungsqualität von Betreibern und deren Investitionen bzw. der konkreten Netzplanung

Kostenschätzung: 20 bis 30 Euro für ein Funkmodul, 10 bis 20 Euro jährliche Betriebskosten

Eine allgemeine Steuerungslösung mehrerer Geräte ist mit dieser Technologie praktisch umsetzbar.


NP2M – Spezialtechnologie im Mobilfunk

NP2M (Narrowband Point to Multipoint) ist eine Spezialtechnologie im Mobilfunk. Sie schließt Paging ein und ermöglicht dadurch Anwendungen, die sonst so nicht realisierbar wären. NP2M geht sparsam mit Energie und Frequenz um und kann mit hoher Versorgungsgüte und Wirtschaftlichkeit sehr viele Empfänger gleichzeitig mit identischer Information erreichen – auch innerhalb von Gebäuden.

Vorteil: Gewährleistung einer landesweit einheitlichen Versorgung für Alarmierungs- und Informationsdienste (Störungs- und Notfallkommunikation)

Unabhängig von anderen Kommunikationsnetzen betreibt e*Message in Deutschland und Frankreich landesweite digitale Paging-Netze auf NP2M-Basis. Eine allgemeine Steuerungslösung für mehrere Geräte lässt sich mit dieser Technologie preiswert und zuverlässig umsetzen.

Auf die echten Anforderungen kommt es an – und auf Kompromisse

Wie in jedem Markt kursieren auch im Technologiebereich rund um die Themen massenhaftes Schalten sowie Störungs- und Notfallkommunikation diverse Qualitäts- und Kostenversprechen – oder werden zumindest oft hineininterpretiert: Preise für Endgeräte deutlich unter 5 Euro, Batteriebetrieb über mehr als 10 Jahre, Erreichbarkeit in jedem Keller – alles vermeintlich kein Problem. Weltweite Erreichbarkeit, Betriebskosten unter 1 Euro jährlich oder womöglich ganz umsonst, dazu eine Reichweite von mehr als 200 km – alles schon gelesen.

Wie bereits erwähnt, gibt es die eine Ideallösung aber nicht, und von allen genannten Versprechungen sind immer nur einige jeweils punktuell realisierbar. Umso wichtiger ist es, das eigene individuelle Anforderungsprofil genau zu definieren. Bei dieser präzisen Betrachtung wird oft deutlich, dass sich viele Anforderungen gegenseitig ausschließen. Klar ist auch: Keiner der kommerziellen Lösungsanbieter hat etwas zu verschenken. Es müssen also Kompromisse gesucht und gegebenenfalls Alternativen geprüft werden.

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Zielkonflikt: Um eine gewünschte Eigenschaft einer Mobilfunktechnologie zu erreichen, müssen teilweise gegensätzliche Effekte bei anderen Eigenschaften in Kauf genommen werden.

Wie können diese Kompromisse aussehen? Im Abgleich mit allen konkreten Anforderungen gilt es zu klären, auf welche Eigenschaften am ehesten verzichtet werden kann, ohne den Kernnutzen zu gefährden. So gibt es zum Beispiel unterschiedliche Eigenschaften je Verbindungsrichtung zu bewerten, sei es Bandbreite, Latenz, Erreichbarkeit oder unidirektionale Verbindungen.

Hybridansatz als Alternative?

Wenn die Erkenntnis gewonnen ist, dass die erhofften Anforderungen nicht erfüllt werden oder in ihrer Gesamtheit schlichtweg den Kostenrahmen übersteigen, bieten hybride Ansätze eine Alternative – auch wenn sich das zunächst ebenso aufwendig wie teuer anhört. Dennoch ist die Nutzung zweier oder mehrerer Technologien parallel oft die preiswerteste, da effizienteste Lösung. Wie kann das sein? In solchen Fällen gilt häufig: 1 + 1 = 100. Der intelligente Einsatz zweier verschiedener, voneinander unabhängiger Kommunikationswege steigert zum Beispiel die Verfügbarkeit um den Faktor 100; oder es kommen so alle positiven Eigenschaften der verschiedenen Technologien gemeinsam zum Tragen, die Nachteile einzelner werden dagegen ausgebremst.

Beispiel e*Nergy – Energiewende absichern

Der Funkrufdienst e*Nergy von e*Message ist ein M2M-Dienst, mit dem sich Verbrauchsgeräte und kleine Erzeugungsanlagen über Strompager aus der Ferne steuern lassen. Energieversorgern und Stromnetzbetreibern bietet sich dadurch die Möglichkeit, Energieerzeugung und -verbrauch effektiv zu synchronisieren – ein Baustein für Stabilität in modernen und komplexen Stromnetzen, der gemeinsam mit der Stromnetz Berlin GmbH entwickelt wurde.

In Berlin ist das Strompagersystem seit 2014 flächendeckend im Einsatz. Die Fernsteuerungslösung ist dort als eigenständiger Dienst installiert worden, sie kann aber auch als integraler Bestandteil des neuen, intelligenten Stromzählermesssystems (Smart Meter Gateway) eingesetzt werden.

Dieser hybride Technologieansatz entspricht der aktuellen Gesetzeslage und stellt einen sofort verfügbaren Smart-Grid-Baustein für die Energiewende dar. Damit bettet er sich in das kommende intelligente Messsystem ein. Durch den hybriden Ansatz wird eine preiswerte, zukunftssichere und sofort verfügbare Lösung zum flexiblen Schalten großer und kleiner Anlagengruppen möglich. Zudem eignet sich e*Nergy auch als Back-up-Sicherheitslösung für Schalthandlungen in der Mittel- und Niederspannung, um durch die hohe Verfügbarkeit eine bestehende alternative Kommunikationslösung zu unterstützen und das Risiko eines Ausfalls zu verringern.

 

Beispiel 2wayS – sichere Erreichbarkeit in der Störungs- und Notfallkommunikation

Der Hybriddienst „2wayS by e*Message“ ist eine flexible und einfach zu nutzende Multichannel-Alarmierungslösung zur sicheren Übertragung von Alarmen und Informationen an mobile Empfänger.

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Zuverlässige Multichannel-Alarmierung mit dem 
Hybriddienst 2wayS


Grundlage ist die Nutzung zweier voneinander komplett unabhängiger Kommunikationsinfrastrukturen. Außer dem hochverfügbaren Sicherheitsfunknetz von e*Message (POCSAG) wird ein zweites, redundantes Kommunikationsnetz (GPRS/3G) für die Übertragung der Alarmtexte beziehungsweise Informationen genutzt. So ist eine noch bessere Erreichbarkeit der Adressaten gewährleistet. Alarmierungen und Informationen erreichen die Empfänger zuverlässig auf verschiedenen voneinander unabhängigen Wegen. Wenn ein Kommunikationsweg nicht zur Verfügung steht, übernimmt der andere die
Aufgabe – das erhöht die Erreichbarkeit um den Faktor 100. Ein Rückkanal sorgt zusätzlich für die automatische Quittierung einer Nachricht an den Absender. Optional kann so auch eine aktive Antwort des Adressaten erfolgen. Mit diesem Hybridansatz ist 2wayS eine effiziente Option für eine zuverlässige Störungs- und Notfallkommunikation

Fazit

Bei genauer Betrachtung ist weniger manchmal mehr – wer also die „Kunst des Weglassens“ beherrscht und sich auf das Wesentliche konzentriert, kommt eher zu praktischen Ergebnissen als der perfektionistische Sucher nach der umfassenden Universallösung. Machbarkeit, Verfügbarkeit und Bezahlbarkeit sind gefragt. Optionen und Alternativen sind vorhanden.

Präsentation: Unterschiedliche Optionen beim Massenschalten sowie in der Störungs- und Notfallkommunikation

Diese Präsentation erläutert, welche Funktionen LPWAN erfüllt, und stellt verfügbare Technologien für Massenschalten und die Störungs- bzw. Notfallkommunikation im Detail einander gegenüber.

Es wird aufgezeigt, welche Vor- und Nachteile vor der Entscheidung für eine bestimmte Lösung abgewogen werden sollten und wie die gängigen Technologien verschiedensten Ansprüchen begegnen.

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