Jahrelang galt der Energiemarkt als verkrustet und festgefahren. Die Wertschöpfungskette lag komplett bei großen Energiekonzernen und Stadtwerken – angefangen von der Stromerzeugung und dem Großhandel bis zum Unterhalt der Transportnetze, dem Vertrieb und den Verteilnetzen. Durch die Liberalisierung der Strommärkte in Deutschland Ende der 90er Jahre kam es zu mehr Wettbewerb bei Erzeugung, Großhandel und Vertrieb. Vielerorts entstanden neue Kooperationen, etwa zwischen Energieversorgern und Telekommunikationsfirmen, um den Verbrauch besser zu steuern und effizienter abzurechnen.

Die typische Smart-Grid-/Smart-Meter-Infrastruktur reicht vom Stromerzeuger (links) bis zum Endkunden (rechts). Dabei kommen verschiedene Kommunikations­techniken zum Einsatz.

Die typische Smart-Grid-/Smart-Meter-Infrastruktur reicht vom Stromerzeuger (links) bis zum Endkunden (rechts). Dabei kommen verschiedene Kommunikations­techniken zum Einsatz.Telit

In Finnland zum Beispiel kooperieren auf diesem Gebiet der Energieversorger Vattenfall und der Mobilfunknetzbetreiber Telia-Sonera. Letzterer ist dabei für die Ablesung und Wartung der Stromzähler zuständig, deren Verbrauch über das Mobilfunknetz ermittelt wird. Beispielhaft für ein solches Modell in Deutschland ist die Kooperation zwischen dem in Oldenburg ansässigen Netzbetreiber EWE und Vodafone.

Die Energieversorger müssen das verfügbare Angebot an herkömmlichen und regenerativen Energien mit dem Bedarf der Wirtschaft und der Verbraucher in Einklang bringen. Das Hauptproblem bei Energieträgern wie Wind und Sonne ist, dass sich das Angebot kaum prognostizieren und noch viel schlechter planen lässt. Die Integration in den Energiemix aus fossilen Energiequellen, Kernenergie und den erneuerbaren Energien wie Wasser, Wind, Sonne und Erdwärme bleibt auf absehbare Zeit eine der Herausforderungen.

Smart Meter als Fundament für Smart Grids

Einer der zentralen Ansatzpunkte, um Angebot und Nachfrage von Energie gesamtwirtschaftlich effizienter überwachen und steuern zu können, bilden die Wohn- und Geschäftsräume. Hier gilt es, Haushalte mit bidirektionalen kommunikationsfähigen Stromzählern (Smart Meter) auszurüsten. Smart Meter messen den aktuellen Verbrauch und leiten die Informationen zum Beispiel per Mobilfunknetz an den Energieversorger weiter. Die Privathaushalte oder die Mieter von Büroräumen können im Idealfall beispielsweise über Monitore in den Wohn- und Büroräumen den aktuellen Verbrauch und die Kosten ihrer Geräte überwachen, große Stromfresser identifizieren und gegebenenfalls ausmustern.

Auf einen Blick

Smart Meter müssen idealerweise mit den Endgeräten und mit dem Smart Grid kommunizieren. Fragt sich, wie? Es bieten sich PLC (­Power Line Communication), Mobilfunk (GSM, GPRS, EDGE, UMTS, WEDGE, HSPA, CDMA), oder RF-Technologien (Radio Frequency) an, in den Stromzählern zudem Short-Range-Technologien wie Zigbee, der ­Wireless-M-Bus-Standard und herstellerspezifische RF-Technologien. M2M-Spezialist Telit gibt hier einen Überblick über die Motivation und Technologien zur smarten Messtechnik-Kommunikation.

Solche Funktionen laufen unter der Bezeichnung Demand Response, Home Area Networking (HAN), Smart Home oder vernetztes Haus. Während Deutschland im internationalen Vergleich hinterherhinkt, sind andere Länder schon deutlich weiter. In Italien kontrollieren bereits rund 30 Millionen Stromkunden von Enel, Europas zweitgrößtem Stromversorgungsunternehmen, mit M2M-Techniken ihren individuellen Stromverbrauch und erhalten einen guten Überblick über ihren Verbrauch. In Deutschland müssen erst seit 2010 alle Neubauten mit intelligenten Stromzählern ausgestattet sein, ab 2018 soll das für alle Gebäude gelten.

Als Kommunikationstechnik nutzen intelligente Stromzähler derzeit beispielsweise PLC (Power Line Communication), Mobilfunk (GSM, GPRS) oder RF-Technologien (Radio Frequency). In den Stromzählern werden diese Verfahren auch in Zukunft eine Rolle spielen, bei neuen intelligenten Gaszählern kommen statt PLC-Technologien vor allem Short-Range-Funk wie Zigbee, der Wireless-M-Bus-Standard und herstellerspezifische RF-Technologien zum Einsatz.

Das Telit-Modul ME50-169 unterstützt den neuesten Wireless-M-Bus-Standard für Smart-Metering-Anwendungen im 169-MHz-Frequenzband.

Das Telit-Modul ME50-169 unterstützt den neuesten Wireless-M-Bus-Standard für Smart-Metering-Anwendungen im 169-MHz-Frequenzband.Telit

Moderne Kommunikation

Smart Metering braucht ein leistungsfähiges, zuverlässiges und sicheres Kommunikationsnetz. Wichtig ist, dass Energieversorger, die intelligente Stromzähler einführen wollen, darauf achten, dass die Technologielieferanten ein breites Spektrum an relevanten Wireless-Technologien unterstützen. Das gilt zunächst einmal für die GSM/GPRS-, EDGE, UMTS/WEDGE/HSPA- und CDMA-Mobilfunkstandards. Die Vielfalt ist nötig, um den Haushalten unterschiedliche Tarifoptionen anbieten zu können. Investitionsschutz bei der Migration von 2G auf 3G bieten M2M-Module, die über das gleiche Pin-Layout und die gleiche Softwareumgebung verfügen. Funktionen für FOTA-Management (Firmware Downloaded Over The Air), wie sie etwa Telit bietet, erlauben kostengünstige, schnelle und zuverlässige Firmware-Updates aus der Ferne. Zusätzlich zu den traditionellen 2G- und 3G-Mobilfunkstandards (UMTS in Europa, CDMA in den USA und Teilen Asiens) gewinnen Zigbee und der Wireless-M-Bus für intelligente Strom-, Gas-, Wasser- und Heizungszählern an Bedeutung.

Zigbee ist ein Kommunikationsprotokoll für Funknetzwerke im Nahbereich mit niedriger Bandbreite. Es zeichnet sich durch geringen Energieverbrauch und günstige Hardware-Kosten aus. Als Funkfrequenzen sieht Zigbee die Bereiche 868/915 MHz und 2,4 GHz vor, in denen unterschiedlich viele Kanäle und Bandbreiten möglich sind. Das 2,4-GHz-Band lässt sich weltweit einsetzen und ist in 15 Kanäle unterteilt, die eine Übertragungsrate von 250 kBit/s ermöglichen.

Das Gateway-Modul GG863-SR verbindet Short-Range- und Mobil- funk-Funktionalität, um Smart Meter an das Smart Grid anzubinden.

Das Gateway-Modul GG863-SR verbindet Short-Range- und Mobil- funk-Funktionalität, um Smart Meter an das Smart Grid anzubinden.Telit

Alternativ zu Zigbee spielt der Wireless-M-Bus eine immer wichtigere Rolle. Das Telit-Modul ME50-169 beispielsweise unterstützt dessen aktuellste Ausprägung. Das Modul wurde für Smart-Metering-Anwendungen im 169-MHz-Band entwickelt, das gegenüber Frequenzen von 868 oder selbst 433 MHz eine wesentlich höhere Leistung ermöglicht. Die Daten werden von den einzelnen Zählern zunächst an einen Konzentrator vor Ort übertragen, wo sie gesammelt und anschließend von einem Gateway über GSM/GPRS an die Versorgungsunternehmen weitergeleitet werden.

Mehr Transparenz, besserer Service, höhere Effizienz

Die Zukunft in den intelligenten Stromnetzen gehört einer Kombination aus Short-Range-Funktionalität und Mobilfunk. Unternehmen, die Short Range für intelligente Strom- und andere Energiezähler einsetzen, können die kostenlose Datenübertragung über Funkfrequenzen nutzen und benötigen keine SIM-Karten zur Mobilfunkübertragung. Die Brücke zum Mobilfunknetz baut ein Gateway wie das Telit GG863-SR-Modul. Es verbindet Short-Range- und Mobilfunk-Funktionalität und ermöglicht Versorgungsunternehmen die Einrichtung umfangreicher Smart-Metering-Anwendungen. Das Ziel einer solchen Lösung ist, die Transparenz der Abrechnung für die Kunden zu erhöhen, den Service in Privathaushalten und für Immobilienbesitzer zu erhöhen und nicht zuletzt auch die Energieeffizienz zu verbessern.