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Smart Meter: Aufgaben im Smart Market und Smart Grid

01  Die Visualisierung des Energieverbrauchs schafft die Akzeptanz und das Interesse beim Verbraucher für Energie­sparmaßnahmen

02  Kommunikationsfähige Smart Meter können viele Aufgaben im Smart Grid übernehmen

03  Der Zähler bietet vier zentrale Funktionen: flexibler Stromzähler, Datenkollektor für Multienergie-Anwendungen, ­bidirektionale Kommunikationsschnittstelle und leistungsfähiges Interface für die Interaktion mit dem Endkunden

Smart Meter bilden als Kommunikationsschnittstelle eine Grundlage bei der Integration volatiler Energien in das Stromnetz. Ein genauer Blick auf die mög­lichen Anwendungen im Smart Market und Smart Grid zeigt: Die Einsatzbereiche intelligenter Stromzähler sind vielfältig und gehen weit über die Ermittlung von „Stromfressern“ im Privathaushalt hinaus.

Zeit- und lastvariable Tarife sind die Grundlage für alle Anwendungen im Smart Market. Sie sind der entscheidende Anreiz bei der Laststeuerung. Mit einem intelligenten Zähler, dem Smart Meter , können zum einen mehr Tarife abgebildet werden als mit einem herkömmlichen Ferraris-Zähler. Doch nicht nur die Menge der Tarife ist entscheidend – immer wichtiger ist die Flexibilität, mit der diese geändert werden können. Nur so lässt sich der Stromverbrauch tatsächlich an den aktuellen Energiemengen ausrichten. Laut BSI soll eine flexible Änderung der Tarife zukünftig über das Gateway möglich sein, sodass Smart ­Meter updatefähige Tarifmodelle bedienen.
Entscheidend für den Erfolg dynamischer Tarifmodelle ist deren Visualisierung für den Verbraucher (Bild 1). Für das Senken des Energieverbrauchs gilt dies ebenso. Möglichkeiten der Visualisierung sind In-home-Displays, das Inter­net oder auch spezielle Apps. Der Smart Meter (Bild 2) überträgt ­dabei den Verbrauch kurzzyklisch über einen entsprechenden Kommunikationskanal, per DSL oder Mobilfunk zum In-home-­Display. Er berechnet die aktuellen Verbrauchskosten anhand des aktuellen Tarifs. Werden die ­Daten mit hoher Auflösung und in Echtzeit im Internet oder per Mobilfunk bereitgestellt, überträgt der Zähler sie mithilfe eines Ethernet-Moduls via Breitband.

Automatische Steuerung im Smart Home
Im sogenannten intelligenten Haus werden die Haushaltsgeräte und diverse Raumfunktionen in Abhängigkeit von den Tarifpreisen automatisch gesteuert. Haushaltsgeräte erkennen über die Kommunikation mit dem Versorger, ob ausreichend Energie im Netz vorhanden und ob der Strom und damit das Starten der Geräte vergleichsweise günstig ist. Neben Hausgeräten sehen Zukunftsmodelle auch die Steuerung von Photovoltaikanlagen, Wärmepumpen, Energiespeicher und Elektroautos vor.
Der Smart Meter erfasst in diesem Szenario den rechnungsrelevanten Energiefluss. Diese Tarifierung ist Grundlage für die Entscheidung, ob die Geräte an- oder ausgeschaltet werden. Die Information wird vom Smart Meter an das Energiedaten-Gateway bzw. das Home Gateway weitergeleitet. Der Smart Meter kommuniziert dazu über ein Interface zum Home-Automation-System und übermittelt die Verbrauchsdaten sowie die entsprechend den Tarifen aufbereiteten Preise via Gateway. Zusätzlich ist eine Visualisierung der Daten entscheidend, ­damit der Nutzer versteht, warum seine Wärmepumpe jetzt läuft oder nicht und von der Anwendung überzeugt ist.
Um die Potenziale eines Personal Energy Managements vollständig ausschöpfen zu können, bietet es sich für den Verbraucher an, externe Dienstleister bzw. spezielle IT-Anwendungen heranzuziehen. Dieser Service ist vor allem für Kunden geeignet, denen Energieversorger moderne Stromzähler zur Verfügung stellen. Die Zähler übermitteln ihre Daten entsprechend der datenschutzrechtlichen Vorgaben und der vorherigen schriftlichen Zustimmung durch den Letztverbraucher direkt an das System.

Virtuelle Kraftwerke
Um große Energiemengen variabel ab- sowie zuschalten und so Lastflüsse regeln zu können, eignen sich sogenannte virtuelle Kraftwerke. Dabei verbindet der Energiedienstleister mehrere unabhängige Energieerzeuger und -nutzer so miteinander, dass er sie wie ein einziges Kraftwerk regeln kann. Eine andere Möglichkeit, Lastflüsse gebündelt abzurechnen und zu steuern sind sogenannte Kettenkunden: Drogeriemärkte und Supermarktketten kaufen die Energie für ihre Filialen zentral ein und erfassen über Fernablesesysteme den Verbrauch zentral. Virtuelle Kraftwerke und Kettenkunden benötigen den Smart ­Meter zur Messung und Weiterleitung des Lastprofils. Er dient als Messelement für die Strommengen sowie Preise und verfügt über ein GSM-Modul und entsprechende Steuerausgänge oder Bussysteme.
Der Ausbau von Windkraft- und Photovoltaikanlagen führt speziell in ländlichen Verteilnetzen vermehrt zu Spannungshaltungsproblemen. Um die Spannungsqualität und Netzauslastung im Netz zu überwachen, benötigt der Netzbetreiber die Netzzustands­daten; das sind u. a. Lastflüsse, Phasenwinkel, Spannung, Frequenz und Stromfluss.
Diese Netzzustandsdaten lassen sich mittels Smart Metern erheben. Gleichzeitig ermöglichen die Geräte eine Schwellenwertüberwachung, sodass ab einem bestimmten Spannungsabfall oder im Falle von Überspannung Alarm ausgelöst wird. Auf diese Weise kann ein Spannungsproblem direkt erkannt und behoben werden.
Ein wichtiges Instrument für die Spannungsregelung im Niederspannungsnetz ist der regelbare Ortsnetztransformator. Er regelt die Spannung am Übergang von Mittelspannungs- und Niederspannungsnetz stufenweise auf den Soll-Wert hoch oder herunter. Hier haben Smart Meter die Aufgabe die Spannungsqualität zu messen und an die lokale Station weiterzugeben, die dann die Regelung vornimmt.
Auch die Spannungsregulierung durch Blindleistungskompensation wird durch Smart Meter unterstützt. Voraussetzung für dieses Vorgehen sind blindleistungsfähige Wechselrichter in den betroffenen Netzsegmenten. Die intelligenten Zähler ermitteln die Wirk- sowie die Blindleistung bzw. den Phasenwinkel. Diese Daten werden entweder in die Zentrale oder den Ortsnetztransformator übertragen und die optimale Blindleistungskompensation für die einzelnen Anschlusspunkte errechnet.

Lastflussanalyse und -Regulierung
Die Messung des Lastflusses gibt Auskunft darüber, wie hoch die Wirkleistung im Netz ist, wie stark das Netz ausgelastet ist, wie hoch die Spitzenleistung ist und ob das Netzwerk richtig dimensioniert ist. Der Smart Meter liefert durch die Messung des Lastprofils, der Wirkleistung und der Netzzustandsdaten Antworten auf diese Fragen.
Der Verteilnetzbetreiber kann zum Beispiel EEG-Anlagen schalten, wenn zu viel Strom produziert wird. Möglich ist dies über das Abregeln von PV-Anlagen, wie es im EEG 2012 gefordert wird. Die Schaltvorgaben werden zwar ­heute noch durch den Übertragungsnetzbetreiber angewiesen. Die technischen Voraussetzungen sind allerdings bereits alle erfüllt.
Bei Anlagen von einer Größe von über 100 kW bedarf es eines Zählers, da die Übertragung der Einspeiseleistung gefordert wird. Der Zähler misst den Lastfluss und überträgt ihn an den Netzbetreiber – dieser kann über entsprechende Signale die Last an- und abschalten. Zur Schaltung werden heute häufig Rundsteuerempfänger verwendet. Es ist aber wirtschaftlich optimaler den Kommunikationsweg der Zählerauslesung auch für die Übermittlung der Schaltbefehle zu verwenden, wie es bei den heutigen Lastschaltboxen gemacht wird. Zukünftig werden die Schaltbefehle über das Gateway nach Schutzprofil übermittelt.

Fazit
Smart Meter übernehmen entscheidende Aufgaben bei der Neugestaltung der Energieversorgung (Bild 3). Bei den Anforderungen, die dabei gestellt werden, handelt es sich um Routinefunktionen, die von intelligenten Zählern bereits heute erfüllt werden. Lediglich die Vorgaben durch die Technische Richtlinie müssen noch technisch im Zähler umgesetzt werden. (mh)

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Autor: Dr. Peter Heuell ist Geschäftsführerder Landis + Gyr GmbH in Nürnberg.