Digital Energy & Energieeffizienz Die richtige Verbindung für Smart Grids

Grundlegende Veränderungen in den Stromnetzen werden aufgrund neuer Anforderungen künftig nötig sein. Dazu gehören die dezentrale Einspeisung von Strom, die angestrebte Selbstregulierung der Stromnachfrage durch die Kunden sowie Produktionsschwankungen, die mit erneuerbaren Energiequellen einhergehen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sollen als Schlüsseltechnologie Smart Grids zur Vernetzung von Netzelementen einschließlich der Messzähler in Gebäuden zum Einsatz kommen. Für Smart Grids stehen bereits verschiedene Kommunikationstechnologien bereit, die jedoch nicht alle technisch und wirtschaftlich in gleicher Weise gut geeignet sind.

Rahmenbedingungen für Smart Grids

Smart Grids und die intelligenten Messzähler, Smart Meter, sind seit einigen Jahren Gegenstand der europäischen Gesetzgebung. Zuletzt wurde durch das „Dritte Binnenmarktpaket Strom und Gas“ das Ziel bekräftigt, Smart Metern aus Gründen des Umwelt- und Klimaschutzes zum Durchbruch zu verhelfen. Der europäische Rechtsrahmen gibt vor, dass die Mitgliedsstaaten für die Einführung von Smart Metern zu sorgen haben: Bis 2020 sollen 80 Prozent der Haushalte mit den intelligenten Zählern ausgerüstet sein. Alternativ können die Mitgliedsstaaten im Anschluss an eine Wirtschaftlichkeitsprüfung eine eigene Strategie für den Einsatz von intelligenten Messsystemen festlegen.

Das EnWG (Energiewirtschaftsgesetz) von 2008, das jüngst novelliert wurde, beinhaltete die Vorgabe, dass Smart Meter bei Neubauten und bei grundlegenden Renovierungsarbeiten einzubauen sind. Seit Inkrafttreten der Novelle sollen Smart Meter darüber hinaus bei Endverbrauchern mit einem Jahresverbrauch von mehr als 6000 kWh sowie bei Kleinanlagen mit einer installierten Leistung von mehr als 7 kW eingesetzt werden. Da Pilotversuche zeigen, dass auch bei Haushalten mit einem geringeren Stromverbrauch durch Smart Meter Strom eingespart werden kann, ist nicht auszuschließen, dass der Einbau von Smart Metern über den heute vorgesehenen Kreis voranschreitet.

Kommunikationstechnologien für Smart Grids

Die Anforderungen an Kommunikationstechnologien, die für Smart Grids bereitstehen, sind vielfältig. Zunächst muss die Technik leistungsfähig und verfügbar sein. Werden heute bei Pilotversuchen noch vergleichsweise wenige Daten übertragen. So steigt das zu übertragende Datenvolumen schlagartig, wenn mehr Smart Meter eingebunden und diese in kurzen Zyklen abgefragt werden. Die Technik muss hierfür kurze Latenzzeiten und eine ausreichende Übertragungskapazität ermöglichen.

Zudem muss eine hohe und langfristige Verfügbarkeit sichergestellt werden. Lösungen, die störanfällig sind oder bei denen die Anwendungen im Smart Grid mit öffentlichen Diensten in einem Netz konkurrieren, bieten nur eingeschränkt die Möglichkeit, die Netze im Sinne einer hohen Stabilität und Versorgungssicherheit zu steuern. Gerade der uneingeschränkte Zugang zu den Fernwirkanlagen zur Steuerung der Mittel- und Niederspannungsnetze ist von zentraler Bedeutung. Ebenfalls müssen die Übertragungstechnologien ein hohes Maß an Datensicherheit und Datenschutz bieten.

Daneben sollten die Kosten für die Nutzung des Netzes möglichst gering sein. In diesem Zusammenhang sollte die Technik langfristig verfügbar sein, damit die Sende- und Empfangseinheiten in den Smart Metern und Netzelementen nicht nach kurzer Zeit ausgetauscht werden müssen. Unter Berücksichtigung der genannten Kriterien können drahtgebundene und drahtlose Übertragungstechnologien untersucht werden.

Drahtgebundene Kommunikation

Anbindungen über Glasfaser sind hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und ihrer zeitlichen Einsatzdauer kaum zu übertreffen. Ihr grundlegender Nachteil besteht aber in den hohen Kosten, die mit der Anbindung von Smart Metern und Netzelementen in den Verteilnetzen verbunden sind. So ist davon auszugehen, dass zur Verlegung von Glasfaser kostenintensive Tiefbauarbeiten erforderlich sind. Zudem verfügen heute weniger als zwei Prozent der Haushalte über Glasfaseranschlüsse. Hinsichtlich der Verwendung von DSL- und Kabelnetzen, die räumlich weit verbreitet sind, gilt ebenfalls, dass auch hier noch Leitungen zu den Netzelementen verlegt werden müssten. Nicht zuletzt führt auch die erforderliche In-Haus-Verkabelung zu hohen Kosten.

Hinsichtlich der technischen Verfügbarkeit konkurrieren die Anwendungen des Smart Grids mit denen der Kunden in den DSL- und Kabelnetzen, was zu Kapazitätsengpässen führen kann. Diese ließen sich zwar über ein Priorisieren von Datenströmen auflösen. Die Daten müssten dazu jedoch identifiziert werden, was aus Gründen des Datenschutzes sehr umstritten ist. Außerdem dürfen die Smart-Meter-Anwendungen nicht davon betroffen sein, wenn ein Kunde seinen Breitbandanschluss wechselt (etwa von DSL zu Kabel). Der Zugang müsste unabhängig vom Kunden bestehen bleiben.

Eine weitere Übertragungstechnologie ist Powerline, das Stromkabel zur Übertragung von Daten nutzt. Die Erfahrungen damit zeigen, dass aufgrund schlechter Abschirmung der Stromkabel hier mit teilweise erheblichen Störpotenzialen zu rechnen ist. Die Verfügbarkeit ist somit eingeschränkt.

Drahtlose Übertragung

Welche der drahtlosen Übertragungstechniken überhaupt relevant sind, hängt vom Frequenzbereich ab. Aus physikalischen Gründen sind nur die Frequenzen interessant, die im Frequenzspektrum unterhalb von 1 GHz liegen. Höhere Frequenzen haben Ausbreitungseigenschaften, die gerade eine Versorgung von Kellern kaum oder überhaupt nicht kostengünstig erlauben. Aus technischer Sicht kommen somit nur Frequenznutzungen in den Bereichen 450 MHz, 800 MHz und 900 MHz in Betracht.

Im 900-MHz-Band findet der GSM-Standard (Global System for Mobile Communications) Anwendung. Diese Funktechnik erlaubt eine vergleichsweise geringe Datenübertragungsrate. Sie erscheint vor dem Hintergrund von Pilotversuchen ausreichend zu sein. Wie sich GSM-Netze in Bezug auf Verfügbarkeit verhalten, wenn (flächendeckend) in kurzen Abständen für wenige Sekunden Verbindungen beispielsweise zu Smart Metern auf- und abgebaut werden, ist abzuwarten. GSM wird vermutlich mittel- bis langfristig abgelöst. Ob dann ein „Rest-GSM-Netz“ übrigbleibt, hängt vom Geschäfts- und Erlösmodell ab.

Eine Alternative könnte deshalb die Frequenznutzung im 800-MHz-Band sein. Hier kommt mit Long Term Evolution (LTE) eine Technik zum Einsatz, die über eine hohe Übertragungskapazität verfügt. Jedoch wird es noch einige Jahre dauern, bis diese Netze flächendeckend verfügbar sein werden. Wie bei allen öffentlichen Telekommunikationsnetzen müssten sich Anwendungen im Smart Grid zudem die Netzkapazitäten mit den kommerziellen Diensten der Betreiber teilen.

Bei 450 MHz kommt heute in Deutschland punktuell die CDMA-Technologie (Code Division Multiple Access) zur Anwendung. Ein flächendeckendes Netz, das im Vergleich zu anderen Funktechnologien mit deutlich weniger Basisstationen auskommt, besteht nicht. Auf den ersten Blick ist dies ein Nachteil. Es besteht aber auch die einmalige Möglichkeit, ein für die Anforderungen von Smart Grids optimales und vom öffentlichen Mobilfunk unabhängiges Netz aufzubauen. Angesichts der sehr guten Ausbreitungseigenschaften - hier sind Reichweiten von bis zu 30 Kilometern möglich - ist es verwunderlich, dass dieser Bereich vergleichsweise wenig beachtet wird. Mit dem CDMA-Standard steht eine leistungsfähige und sichere Funktechnologie zur Verfügung, derenVorteile bereits in Skandinavien, den Niederlanden und in Pilotversuchen von Energieversorgungsunternehmen in Deutschland demonstriert wurden.

Auf alle Funklösungen trifft zu, dass hier keine Tiefbaukosten zur Anbindung von Netzelementen in den Verteilnetzen anfallen. Damit sind diese Technologien gegenüber drahtgebundenen Lösungen kostengünstiger.