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Smart Grids: Durchgängige Intelligenz für alle Ebenen

Bild 1. Eatons Smart-Metering-Lösung

Bild 2. Das Mess- und Kommunikationsmodul NZM-XMC für Energie- und Motorverteilungen

Bild 3. Xiria: die neue SF 6-freie Generation von Ringkabel-Schaltanlagen für Anwendungen bis 24 kV

Angesichts einer vermehrten dezentralen Stromerzeugung, unter anderem aus Wind, Sonne, Kraft-Wärme-Kopplung, Biomasse sowie Geothermie, und dezentraler Stromspeicherung ändern sich die Anforderungen an das Netz drastisch. Denn Energie wird nicht mehr wie bisher an zentraler Stelle in Atom-, Kohle- oder Erdgaskraftwerken erzeugt. Stattdessen wird sie an unterschiedlichen Stellen und zu verschiedenen Zeiten in das Netz eingespeist. Diese Entwicklung macht den Energieversorgern schon heute in mancherlei Hinsicht das Leben schwer und erfordert Veränderungen auf verschiedenen Ebenen.

Zu den notwendigen Veränderungen gehört neben der Bereitstellung von ausreichenden Energieübertragungskapazitäten auch der Aufbau einer Kommunikations-infrastruktur, die intelligente Anwendungen ermöglicht, über die die verschiedenen Netzkomponenten miteinander in Verbindung treten können. Zudem werden Softwareanwendungen benötigt, die eine Anpassung der intermittierenden Energieerzeugung an den intermittierenden Energieverbrauch unter Aufrechterhaltung der vorgegebenen Spannung und Frequenz erlauben.

Smart Meter spielen wegweisende Rolle
Eine moderne Verbrauchserfassungsinfrastruktur (Advanced Metering Infrastructure), zu der intelligente Verbrauchsmessgeräte (Smart Meter) gehören, spielt dabei eine entscheidende Rolle. Im Rahmen der Umsetzung der EU-Richtlinien (Energy Services Directive) hat die deutsche Bundesregierung festgelegt, dass der Markt für die Installation und Ablesung von Verbrauchserfassungsgeräten für Strom und Gas zur Verbesserung des Wettbewerbs allen Anbietern offen steht. Seit 2010 müssen die Messstellenbetreiber ihren Kunden zur besseren Information Smart Meter anbieten.
Smart Meter ermöglichen die Aufzeichnung aller wichtigen Daten und eine Zwei-Wege-Kommunikation zwischen dem Energieversorger und den Verbrauchern (Privat- oder Geschäftskunden), die heute in steigendem Maß mit lokal gewonnener Energie auch die Rolle eines Energielieferanten übernehmen. Prinzipiell geht es darum, die auf dem Gebiet der Hochspannung und auf der Ebene der Systemüberwachung und Datenerfassung bereits vorhandene Intelligenz bis auf die Ebene des Verbrauchers auszuweiten. Und beim Smart Meter hört hier die Herausforderung noch nicht auf: Um den Energieverbrauch optimieren zu können, werden auch hinter dem Smart Meter geeignete Haus-, Gebäude- und Industrieautomatisierungslösungen benötigt, die die einzelnen Geräte und Systeme innerhalb eines Hauses oder einer Anlage entsprechend steuern.

Eaton befasst sich als international tätiger Anbieter von Systemen für eine sichere Stromversorgung, -verteilung und -steuerung bereits seit Jahren mit intelligentem Energiemanagement. Im Zentrum der Unternehmenstätigkeit stehen intelligente Lösungen für den Endanwender und den Niederspannungsbereich bis hin zur Mittelspannungsebene. Bereits heute ist das Unternehmen in der Lage, komplette Smart-Metering-Lösungen auf der Basis etablierter Technologien in allen relevanten Bereichen anzubieten. Beispiele sind die Gebäudeautomation und industrielle Automatisierungstechnik, die automatisierte Verteilung, eine intelligente Verbrauchserfassung sowie der Anschluss von Ladestationen für Elektrofahrzeuge und Systemen zur regenerativen Energiegewinnung wie Photovoltaikanlagen an das Netz.

Gebäudeautomation im Zusammenspiel mit Smart Metering
Das „xComfort“-System zum Beispiel ist ein drahtloses System für die intelligente Gebäudeautomation, das sich seit seiner Markteinführung 2003 bereits in vielen Anwendungen bewährt hat. Es bietet dem Anwender Flexibilität in der Auswahl der Komponenten, wie Sensoren und Aktoren, und der logischen Verknüpfung dieser Komponenten, wie Klimaanlagen, Jalousien und Beleuchtungssteuerung. In Verbindung mit einem Smart Meter kommt die Leistungsfähigkeit eines Gebäudeautomatisierungssystems aber erst vollständig zum Tragen. Eaton arbeitet auf diesem Gebiet mit einer Reihe von renommierten Partnern zusammen. Dazu gehört die Echelon Corp. mit Sitz in den USA, welche die Smart-Metering-Technologie bereits mit großem Erfolg einsetzt. Über das NES-System (Echelon Networked Energy Services) sind bereits ca. 35 Millionen Haushalte weltweit an ein intelligentes Netz angeschlossen. Das Echelon-Smart-Meter misst nicht nur die vom Kunden verbrauchte Energie, sondern kann mithilfe der integrierten „xComfort“-Schnittstelle die angeschlossenen Geräte auch in Abhängigkeit von den geltenden Stromtarifen steuern. Das System stellt dem Endanwender standortfern Daten und Steuerungsmöglichkeiten zur Überwachung und Anzeige des Energieverbrauchs auf Geräten, wie Fernsehern und Computern, zur Verfügung und kann intelligente Geräte, wie Waschmaschinen, Geschirrspülmaschinen oder Fahrzeugladestationen, zum energie- und kosteneffizientesten Zeitpunkt ein- und ausschalten.

Transparenz und direktes Feedback von Energieverbrauchsdaten ist damit bereits heute mit der zur Verfügung stehenden Eaton-Technologie möglich. Die Stellen, an denen Energiespitzen auftreten, lassen sich aufzeigen. Mit den bereitgestellten Daten wird der Nutzer in die Lage versetzt, fundierte und gezielte Entscheidungen zu treffen. Funktionen, wie flexible Tarife, dynamische Preisstaffelung, Lastprofile und Leistungsschwellen, werden jedoch erst in näherer Zukunft verfügbar sein. Mittelfristig steht die Integration von intelligenten Haushaltsgeräten, erneuerbaren Energiequellen oder Ladestationen für Elektrofahrzeuge auf dem Plan. Diese wird große Fortschritte im Hinblick auf die Anpassung der Energieerzeugung an den Verbrauch mit sich bringen.
Ein weiterer Bestandteil der Smart-Metering-Lösung von Eaton ist die Kommunikationstechnik. Auf diesem Gebiet kooperiert das Unternehmen mit Kapsch Smart Energy in Österreich. Da die gesetzlichen Regelungen in Österreich weiterentwickelt und im Vergleich zu Deutschland einfacher sind, macht die Implementierung von intelligenten Verbrauchsmessgeräten hier schnellere Fortschritte. Das Unternehmen ist an einer Reihe von Projekten beteiligt und hat erst kürzlich mit der Implementierung der eigenen Komplettlösung in Verbindung mit Technologien von Echelon und Kapsch begonnen. Dabei geht es um den Austausch von mehr als 17 000 Erfassungszählern in Wohngebäuden in Zusammenarbeit mit einem lokalen Energieversorger.
Auch auf der industriellen Seite halten Lösungen für die Erfassung und Optimierung des Energieverbrauchs vermehrt Einzug. Hier wird derzeit großes Interesse insbesondere aus der Automobilbranche an dem Mess- und Kommunikationsmodul NZM-XMC verzeichnet, das für Energie- und Motorverteilungen entworfen wurde. In Fertigungseinrichtungen mit energieintensiven Prozessen, wie Schweißanlagen, kann jede Einheit mit einem NZM-XMC-Modul ausgestattet und je nach Bedarf langsamer gefahren, abgeschaltet oder in den Standby-Modus geschaltet werden.

Intelligenz für die Mittelspannungsebene
Wenn die Niederspannungsebene mit der entsprechenden Intelligenz ausgestattet wurde, bleibt immer noch eine Lücke, die überbrückt werden muss, damit diese Informationen auch auf der Mittelspannungsebene zur Verfügung stehen und eine Kommunikation mit dem Überwachungs- und Datenerfassungssystem möglich wird. Bei einem Ausfall wissen die Energieversorger zwar, wo das Netz ausgefallen ist, aber sie haben keine detaillierten Informationen darüber, was auf der Mittelspannungsebene passiert (auf den letzten ca. 50 km), welche Nutzer angeschlossen sind und bei welchen die Versorgung ausgefallen ist. Eaton schätzt, dass heute nur ca. 5 % bis 15 % der Schaltanlagen automatisiert sind, wobei manche Länder in Europa hier fortschrittlicher sind als andere. Dies bedeutet, dass ein Großteil der Unterverteilung manuell erfolgt und der Energieversorger Wartungspersonal zu den Transformatorstationen schicken muss, um die Ausfälle zu kontrollieren und die entsprechenden Maßnahmen zu ergreifen. Dies ist zeit- und kostenaufwendig. Als wichtigen ersten Schritt sollten sie deshalb ihr Netzwerk neu konfigurieren und mindestens 20 % der Ringkabel-Schaltanlage (RMU) mit Datenerfassungsstationen (Remote Terminal Units) ausstatten. Dadurch lassen sich Basisdaten, wie Spannungspegel, Lastschwankungen oder Temperatur, standortfern von einer Steuerzentrale überwachen und steuern. Die wichtigste Triebkraft auf diesem Gebiet ist der Saidi-Index, der die durchschnittliche Ausfalldauer je Verbraucher angibt und der von den Versorgungsunternehmen als Zuverlässigkeitsindikator verwendet wird.

Auch für diese Herausforderung bieten die Spezialisten bereits heute eine Lösung an. Teil des umweltfreundlichen und SF6-freien Produktprogramms ist eine neue Generation von Ringkabel-Schaltanlagen, die für Nachhaltigkeit, Sicherheit und Zukunftssicherheit entwickelt wurden. Xiria ist uneingeschränkt auf den Einsatz in vollautomatisierten Netzen vorbereitet. Je nach Umfang der gewünschten Fernsignalisierung und Fernbedienung stehen verschiedene Optionen zur Verfügung, die modular aufgebaut sind und dem Kunden je nach Bedarf auch ein einfaches Nachrüsten ermöglichen. Das Xiria-System eignet sich sowohl für kompakte Transformatorstationen zur Energieverteilung, begehbare Stationen im Energieversorgungsbereich, in der Industrie und in dezentralen Kraftwerken wie Windfarmen. In Zukunft müssen Lösungen für Ringkabel-Schaltanlagen aber nicht nur Informationen auf Trafoebene liefern können, sondern eine Intelligenz bis hinab zu den einzelnen intelligenten Verbrauchsmessern umfassen.

Fazit
Die Grundlage für die Einführung des Smart Grid in Deutschland ist gelegt. Aus Eatons Perspektive stehen die technischen Lösungen für die durchgängige Implementierung von Intelligenz auf den letzten 50 km bis hinein in Gebäude und Anlagen bereits heute zur Verfügung. Nun müssen die ausstehenden Hürden bezüglich Infrastruktur, Gesetzgebung sowie europäischer und lokaler Normung genommen werden, damit sich das intelligente Netz in Deutschland voll entfalten kann.

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Autor: Philip Dingle ist Segment Manager Energieversorger und Netze im Eaton Electrical Sector, mit Zuständigkeit für Europa, den Nahen Osten und Afrika (EMEA).