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Smart-Home als Basis für Smart-Grids

Bild 1. Solarenergieausbau in Deutschland bis 2009

Bild 2. Windenergieausbau in Deutschland bis 2009

Bild 3. Das Energiedaten-Gateway verbindet den Zähler mit dem Energieversorger und der Hausautomatisierung

Bild 4. Monochrom-Display mit 3,81 cm Bildschirmdiagonale

Um das Einbinden erneuerbarer Energien zu verkraften, müssen die Netze intelligenter werden – sie werden zu Smart-Grids. Eine wesentliche Voraussetzung zur Realisierung der Smart-Grids ist das Einbeziehen des Endkunden in die Netzbetriebsführung. Hierzu benötigt der Kunde tarifliche Anreize, Informationen in nahezu Echtzeit vom Energieversorger sowie automatische Eingriffsmöglichkeiten zur Steuerung seines Verbrauchs.

Bis zum Jahr 2020 soll in Europa 20 % des gesamten Energieverbrauchs durch erneuerbare Energien gedeckt werden. Dieses Ziel erscheint aus Sicht der elektrischen Energieversorgung insbesondere ambitiös, da erwartet wird, dass dafür europaweit ein durchschnittlicher Anteil von 35 % durch erneuerbare Energien bereitgestellt werden muss. Für Deutschland ist die Zielvorgabe mit 30 % aufgrund der unterdurchschnittlichen Verfügbarkeit von Wasserkraft nur unwesentlich geringer.

Erneuerbare Energien beeinflussen das Netz
Dass dies noch ein großer Schritt ist, wird bei Betrachtung der aktuellen Zahlen für Windenergie und Photovoltaik von Ende 2009 deutlich. Bild 1 und Bild 2 zeigen, dass zwar insgesamt ca. 25 GW Leistung in Windenergieanlagen und fast 10 GW in Photovoltaikanlagen installiert sind, der Anteil der in diesen Anlagen erzeugten Energie aber erst bei ca. 8 % des gesamten Energieverbrauchs in Deutschland liegt. Und schon heute hat diese Erzeugung erhebliche Auswirkungen auf viele Bereiche des Energiesystems, insbesondere auf den Betrieb und die Ausstattung konventioneller Kraftwerke sowie auf Verteilungs- und Übertragungsnetze.
Diese Veränderung des Energiesystems bringt im Wesentlichen drei Herausforderungen mit sich:

  1. Zunehmend lastferne Erzeugung.
  2. Zunehmend dezentrale Erzeugung, die geeignet in die Systemführung integriert und von den Verteilungsnetzen aufgenommen werden muss.
  3. Zunehmend fluktuierende Einspeisung.

Die Konsequenzen der absehbaren lastfernen Erzeugung sind bereits heute weitgehend bekannt. Um die gesteckten Ziele zu erreichen, ist eine erhebliche Verstärkung der Übertragungsnetze unterstützt durch neue Technologien bei Primär- und Sekundärtechnik zwingend erforderlich. Im Verteilungsnetz stellt die Integration der dezentralen Erzeugung schon jetzt eine technische Herausforderung dar, der oft nur durch Netzverstärkung und/oder mehr Netzautomatisierung begegnet werden kann.

Neue Geschäftsmodelle entstehen
Weniger klar ist derzeit, wie sich dezentrale Erzeugungsanlagen in die Systemführung einbinden lassen und welche neuen Geschäftsmodelle die immer stärker fluktuierende Einspeisung mit sich bringen wird. Sichtbar ist bereits die Verbreiterung des Angebots im Bereich der Minutenreserve: Während diese früher praktisch ausschließlich in großen Erzeugungsanlagen vorgehalten wurde, sind heute zunehmen Geschäftsmodelle wirtschaftlich, die eine Vorhaltung in kleinen Erzeugungsanlagen oder durch Lastbeeinflussung bei Verbrauchern vorsehen. Das ist jedoch nur der Anfang von Veränderungen in diesem Bereich. Die Einführung von Smart Metering reduziert schrittweise die Kosten für die Einbindung von Endkunden und der dezentralen Erzeugung in eine Ausregelung des Energiesystems. Gleichzeitig erhöht sich durch die Elektromobilität sowie die zunehmende Verbreitung von Wärmepumpen und Klimaanlagen die Anzahl von Verbrauchern, die Potentiale für Lastverschiebung bieten. Das schafft die Grundlage für die Bildung neuer Geschäftsmodelle.

Der Gesetzgeber hat dieser Veränderung bereits Rechnung getragen und seit Januar 2010 den Einsatz von kommunikationsfähigen Zählern in Neubauten vorgeschrieben. Um diese neuen Geschäftsmodelle zu ermöglichen, ist allerdings neben der reinen Zählerinfrastruktur auch eine Automatisierung erforderlich, die die einzelnen Verbraucher und Erzeuger im Gebäude miteinander verbindet, eine Schnittstelle zum Energieversorger besitzt und eine Steuerung von Geräten zulässt. Diese neue Technik wird unter dem Begriff „Smart Home“ zusammengefasst.

Das Kommunikationsgateway
Ein wichtiges Element von Smart Home ist ein Energiedaten-Gateway, das Zähler und Hausautomatisierung mit dem Energieversorger verbindet (Bild 3). Dabei ist es naheliegend, das Gateway im Schrank des Stromzählers zu installieren und für die Übertragung der Daten von entfernten Gas- und Wasserzählern zum Gateway die gleiche Funktechnologie wie für eine Übertragung der Daten vom Gateway zur Hausautomatisierung zu verwenden. Dies wird durch den Einsatz von Wireless M-Bus zur Kommunikation mit Zählern und KNX-RF zur Kommunikation mit der Hausautomatisierung möglich, da beide Standards denselben Frequenzbereich um 868 MHz nutzen. Diese Technologie ist insbesondere vorteilhaft, da jedes KNX-RF-Gerät mit einer Repeater-Funktion (max. sechs Repeater in Folge) ausgestattet ist. Damit lässt sich auch eine Kommunikation über mehrere Etagen ohne großen Aufwand realisieren.

Visualisierung als Basisfunktion
Die minimale Funktion, die im Haus angeboten werden muss, um den Endkunden Mehrwerte durch elektronische Zähler zu bieten, ist die Visualisierung der Zählerstände, ggf. erweitert um Tarifinformationen. Neben dem PC, den man zwar für diese Aufgabe verwenden kann, sich aber meist nicht direkt im Wohnraum befindet, bieten Hersteller von Elektroinstallationsmaterial mittlerweile verschiedene Lösungen in unterschied¬lichen Ausbaustufen an, die einfach in bestehende Elektroinstallationen integrierbar sind.
Das in Bild 4 zu sehende Display kann beispielsweise gegen einen vorhandenen Lichtschalter oder Dimmer ausgetauscht werden. Die Schalt- und/oder Dimmfunktion bleibt erhalten. Darüber hinaus bietet das Display die Möglichkeit, sich Verbräuche, Kosten und Tarife anzeigen zu lassen. Die farbige Hintergrundbeleuchtung (rot – neutral – grün) signalisiert je nach eingeschaltetem Modus, ob zum Beispiel der Tarif teurer oder günstiger wird bzw. ob er sich in einem definierten Zeitraum nicht verändert. Der Endkunde kann dann entscheiden, ob er beispielsweise seinen Wäschetrockner sofort einschaltet oder wartet, bis der günstigere Tarif aktiv ist.

Eine derartige Anzeige ermöglicht es darüber hinaus, sich die Kosten und Verbräuche nicht nur tagesaktuell, sondern auch für definierte Perioden wie Tag, Woche, Monat und Jahr anzeigen zu lassen. Ein Vergleich zu den Verbräuchen der jeweiligen Vorperiode ist ebenfalls darstellbar. Die Möglichkeit der Visualisierung schafft Transparenz für den Endkunden und soll eine Verhaltensänderung beim Umgang mit Energie und Ressourcen bewirken. Dieses ist aber nur der erste Schritt auf dem Weg zu Smart Grids.

Geräte automatisch an- und ausschalten
In Deutschland gibt es fast 40 Mio. Haushalte. Der Anteil der Single- und Zwei-Personen-Haushalte nimmt zu. Oft sind in einem Zwei-Personen-Haushalt beide berufstätig. Damit auch diese Endkunden nachhaltig von günstigen Tarifen und Tarifzeiten profitieren können, müssen die An- und Ausschaltvorgänge von energieintensiven Verbrauchern automatisiert werden. Dann ist es möglich Geräte auch bei Abwesenheit der Personen im Haushalt in Betrieb zu nehmen, wenn der Tarif gerade günstig ist, bzw. bei teuren Tarifen abzuschalten.

Bild 5. Intelligente Automatisierungskomponenten ermöglichen es auch Geräte anzusteuern

Bild 6. Ein Beispiel für eine Infrastruktur für Smart Home

Es gibt bereits Visualisierungsdisplays, welche neben der Anzeige auch die Möglichkeit besitzen, Aktoren über eine vordefinierte Logik zu steuern (Bild 5). Dabei kann der Endkunde zwischen verschiedenen Modi wählen. Im sogenannten ECO-Modus ist ein tarifabhängiges An- und Abschalten erlaubt. Dabei können auch weitere Parameter, wie die Uhrzeit, in die Logik mit einbezogen werden. Im Komfortmodus sind diese Automatismen abgeschaltet. Der Kunde bestimmt dann selbst, welche Geräte er händisch ein- bzw. ausschaltet.

Noch fehlen intelligente Endgeräte
Aber auch damit sind noch nicht alle Voraussetzungen erfüllt, um Mehrwerte im Energiesystem vollständig realisieren zu können. Das verdeutlicht ein konkretes Beispiel: Wird eine Waschmaschine direkt nach dem Aufheizen des Wassers abgeschaltet, weil gerade ein teurer Tarif aktiviert wird, kühlt das Wasser wieder ab, was in Summe zu einem erhöhten Energieverbrauch mit Nachteilen für das Energiesystem und den Endkunden führt. Neben der Intelligenz in der Kommunikation ist folglich auch mehr Intelligenz in den Endgeräten erforderlich.
Letztere müssen genau kommunizieren, ob sie für eine Lastreduktion oder -erhöhung zur Verfügung stehen. Bei der Inbetriebnahme muss klar sein, wie lange zum Beispiel das Waschprogramm dauert, und es muss sichergestellt sein, dass der günstige Tarif länger gültig ist, als der Strombedarf des Geräts dauert.

Um all diese komplexen Vorgänge optimal zu steuern, bedarf es neben der Kommunikationsinfrastruktur (Bild 6) auch intelligenterer Geräte und Systeme, die miteinander kommunizieren können. Genau darauf zielt die Entwicklung des Electronic Energy Bus (EE-Bus) ab. Hierbei handelt es sich um eine Lösung, für die hersteller-unabhängige sowie technologieübergreifende Kommunikation und Steuerung von intelligenten elektronischen Endgeräten. Verschiedene Kooperationspartner und Hersteller aus den Bereichen Elektroinstallation, Heizung, Klima, Lüftung und weiße Ware sind daran beteiligt, diesen neuartigen Bus zu definieren. Der EE-Bus baut auf den vorhandenen Standards und Normenreihen ISO/IEC 14543, IEEE 802.15.4, DIN EN 61850 sowie DIN EN 13757 auf und erweitert bestehende Powerline- und Funktechnologien um neue Energiemanagementfunktionalitäten. Damit unterstützt der EE-Bus die ab 2011 durch den Gesetzgeber vorgeschriebenen direkten und indirekten Steuerungsimpulse an Energieverbraucher.

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Autor: Dr.-Ing Klaus von Segbusch (37) promovierte 2001 an der RWTH Aachen am Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft (IAEW) im Bereich automatisierte Netzausbauplanung. Er ist Leiter des Teams Business Development Smart Grids bei der ABB AG in Mannheim.

Autor: Christian Struwe (45) studierte Elektrotechnik/Nachrichtentechnik an der FH Hannover und ist Leiter neue Geschäftsfelder bei Busch–Jaeger Elektro GmbH in Lüdenscheid.