Die Energiewende zielt darauf ab, weg von fossilen Brennstoffen hin zu erneuerbaren Energien überzugehen. Das bedeutet den Stopp der Verbrennung fossiler Medien zur Fortbewegung, aber auch ein Verzicht auf deren Verfeuerung zum Heizen im Gebäudesektor und deren Verstromung in Kraftwerken. Dies führt zu einem Wechsel der Energieträger und damit zur zunehmenden Dezentralisierung der Energieerzeugung. Solarthermie und Geothermie, sind in Deutschland nur begrenzt ausbaufähig – Windparks und Photovoltaik werden damit in Deutschland zu den wichtigsten regenerativen Energieerzeugern. Sie entstehen dort, wo sie strategisch günstig und effizient arbeiten – hier kommt die Vernetzung ins Spiel.
Ethernet ermöglicht die effiziente Kommunikation und Steuerung zwischen den dezentralen Energieerzeugern, dem Stromnetz und den Verbrauchern. Dabei sind Erzeugung und Verbrauch von Energie ganzheitlich zu sehen, was nur durch eine Kopplung aller Sektoren einer All Electric Society möglich ist. Für diese kommunikative Datenkopplung, ist die passende Dateninfrastruktur unerlässlich. Mit einem breiten Lösungsportfolio für die Datenübertragung in verschiedenen Einsatzumgebungen und wechselnden Umweltbedingungen, schafft Harting die notwendige Infrastruktur für durchgehende Datennetze in der Energieversorgung.
Die Sektorenkopplung
Die einzelnen Sektoren Elektrizität, Wärme (oder Kälte), Verkehr und Industrie wurden in der Vergangenheit einzeln für sich betrachtet. Technische Lösungen für Energieeinsparungen und die Umstellung auf regenerative Energien, blieben so weitgehend unabgestimmt. Auch Kommunikationslösungen und Infrastrukturen waren auf keinem einheitlichen Standard.
Durch die einheitliche Datenvernetzung der Sektoren auf Ethernet-Basis können erneuerbare Energiequellen miteinander direkt kommunizieren, um überschüssige Energie passend und ohne Überlastung ins Stromnetz zu speisen oder um Engpässe auszugleichen. Ebenso kann überschüssige elektrische Energie in der Produktion, schnell und dynamisch für die Gewinnung von alternativen Energieträgern wie Wasserstoff oder eFuels genutzt werden. Dies verbessert die Gesamteffizienz und Zuverlässigkeit des Zusammenspiels von Erzeuger-Stromnetz-Verbraucher erheblich. Zudem ermöglicht die Kommunikation über Ethernet als einheitliches Kommunikationsmedium die Steuerung und Echtzeitüberwachung der Energieerzeugung, was eine optimale Anpassung an den aktuellen Bedarf ermöglicht. Ein wichtiges Ziel der Energiewende ist es, weg von unnötig hoher, möglicher Spitzenlast, hin zu dynamischer, bedarfsgerechter Produktion von Energie nach Momentanverbrauch zu gelangen.
Windkraft und Photovoltaik sind die vorrangig genutzten Erzeugungstechnologien für den Standort Deutschland. Da die direkte Nutzung der von diesen Quellen erzeugten elektrischen Energie zum Heizen von Gebäuden (Wärmepumpe) und zum Antrieb von Fahrzeugen effizienter ist als deren Umwandlung in Wasserstoff oder eFuels, liegt das Hauptaugenmerk der gegenwärtigen Entwicklung auf der Umstellung dieser beiden Sektoren, weg von fossilen oder anderen Sekundären Energieträgern, hin zur direkten Nutzung von elektrischem Strom.
Nichtsdestotrotz sind Wasserstoff und eFuels wichtige Pufferspeicher für überschüssige elektrische Energie und werden in den Bereichen Agrar, Luft,- und Schiffahrt auch zukünftig eine wichtige Rolle als Energieträger spielen.
Verbraucher
Ethernet breitet sich als zentrales Kommunikationsmedium in immer mehr Sektoren aus. Im Sektor Verkehr spielt Ethernet, in Form der reduzierten Infrastrukturlösung Single Pair Ethernet (SPE) schon heute eine wachsende Rolle in neuen PKWs und auch in Nutzfahrzeugen. In der Industrie vollzieht sich eine ähnliche Entwicklung, weg von analogen BUS-Systemen, hin zu Ethernet, durchgehend ohne System- oder Protokollbrüche vom einzelnen Sensor, bis in die Cloud.
Dies führt zu einem Bedarf an neuer, passend ausgelegter Infrastruktur. Schnittstellen und Kabel müssen kleiner werden, sollen Ressourcen sparender werden und müssen den jeweiligen Platz- und Umweltanforderungen des Einsatzortes entsprechen. Diesen Anforderungen wird Harting mit zahlreichen Connectivity-Lösungen gerecht. Ganz egal ob nun für Gigabit Ethernet, vieradriges Industrial Ethernet oder Single Pair Ethernet (SPE) mit nur noch einem Paar Kupferadern. Egal ob in der Bahnanwendung, an der Landmaschine, im Maschinenbau oder einer Windkraftanlage. Harting sorgt für eine durchgängige Datenvernetzung für die AES.
Dies ermöglicht die flächendeckende Nutzung von Ethernet, was auch die Entwicklung von Smart Grids begünstigt. Durch die Implementierung intelligenter Technologien und Kommunikationssysteme können Verbraucher ihren Energieverbrauch effizienter verwalten und die Lasten besser verteilen. Dies führt zu einer besseren Integration von Elektrofahrzeugen, Heimspeichersystemen und anderen energieeffizienten Technologien. Unterm Strich sollte so in Zukunft der Großteil der größeren elektrischen Verbraucher privat wie gewerblich smart werden und ihren Energieverbrauch an alle Teilnehmer ihres Sektors mitteilen, die wiederum ihren Verbrauch mit den anderen Sektoren und den Energielieferanten detailliert „abstimmen“ können.
Die Vernetzung ist auch entscheidend für den Erfolg von Energiemanagement-Systemen in Industrieunternehmen. Ethernet-basierte Lösungen ermöglichen eine umfassende Überwachung und Analyse des Energieverbrauchs in Echtzeit, was wiederum zu einer besseren Energieeffizienz und Kostenreduzierung führt. Der Energiebedarf kann, tageszeitabhängig und produktionsabhängig, sehr präzise aufgezeichnet und kommuniziert werden. Durch intelligente Auswertung der Daten über größere Zeiträume, können Algorithmen so Bedarfe, in einem gewissen Rahmen, voraussagen. Das ist insbesondere in der Industrie wichtig, die mit 43 Prozent den größten Einzelbedarf an elektrischer Energie in Deutschland hat.
Energieverbrauch im Blick haben
Um die realen Energiebedarfe von Antrieben und elektrischen Geräten in industriellen Anwendungen im Blick behalten zu können, muss man diese jedoch erst valide erheben, zusammenführen und auswerten. Ohne eindeutige Informationen ist eine sinnvolle Auswertung und energetische Optimierung kaum möglich. Harting unterstützt dazu schon heute mit smarter Infrastruktur das Forschungsprojekt „Entwicklung von Energiemanagementschnittstellen für IoT-Technologien – IoT_EnRG“ der Hochschule Hannover und der Helmut-Schmidt-Universität Hamburg. Das Forschungsprojekt widmet sich der Entwicklung eines universellen Energieinformationsmodells, zur vereinfachten Übermittlung von Energiemanagementdaten in übergeordnete Systeme. Das Energiemonitoring von Verbräuchen ist an sich erst einmal nichts Neues. Allerdings gibt es im industriellen Umfeld aktuell noch diverse Hürden, die eine einfache und einheitliche Auswertung von Energiedaten für ein durchgängiges Energiemanagement erschweren.
Bei der Automatisierung von industriellen Anlagen müssen Anwender heute auf unterschiedliche Semantiken für die Interpretation von Energiedaten zurückgreifen, da proprietäre Systeme und parallele Standards bestehen. Mit Hilfe der Semantiken werden aus den Energiedaten wertvolle Energieinformationen. Damit diese Energieinformationen in einem einheitlichen Format verfügbar sind, wurde in den letzten zwei Jahren durch das Forschungsprojekt „Entwicklung von Energiemanagementschnittstellen für IoT-Technologien - IoT_EnRG“, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert wird, ein universelles Energieinformationsmodell erarbeitet. Mit Hilfe dieses Informationsmodells erhalten Energiedaten eine eindeutige Semantik und können so mit weniger Engineering-Aufwand schneller in die technischen Energiemanagementsysteme integriert werden.
In der Industrie ist die Integration von Energieinformationen, die unterschiedlichsten Quellen in der Feldebene entstammen, derzeit noch mit einem hohen Engineering-Aufwand verbunden, da die Energiedaten mit verschiedenen Kommunikationsprotokollen (zum Beispiel PROFINET, Sercos III, EtherNet/IP oder Modbus TCP) und spezifischen Energieprofilen wie PROFIenergy, Sercos Energy oder CIP Energy übertragen und bereitgestellt werden können. Die resultierenden unterschiedlichen proprietären und Energieprofil-spezifischen Semantiken werden bei der Einrichtung von OPC UA-Schnittstellen beibehalten und erschweren die Schnittstellenkonfiguration sowie die weitere Einbindung der Energieinformationen in Energiemanagement-Applikationen. Das universelle Energieinformationsmodell kann diese Hürde nun überwinden und liefert so einen Beitrag, der die Industrie unterstützt, eine sparsame, möglichst klimaneutrale Produktion zu betreiben.
Smart Electrical Connector als Datenlieferant
Die ganzheitliche Erhebung der Informationen zu Energieverbräuchen erfolgt auf verschiedene Arten. Manche Geräte sind selbstständig in der Lage ihre Verbräuche zu messen und in übergeordnete Ebenen zu melden, andere wiederum benötigen externe Sensorik dafür.
Insgesamt basieren Megatrends wie IoT und Konzepte wie der Digitale Zwilling auf einer deutlichen Steigerung verfügbarer Daten. Das betrifft, neben aktiven Geräten, auch ehemals passive Komponenten wie beispielsweise Steckverbinder. Diese übertragen zukünftig nicht nur als passives Infrastrukturelement Energie und Daten, sondern können ergänzend hier auch aktiv Zustandsdaten wie Strom und Spannung überwachen und damit zum Lieferanten von Energie-Daten werden.
Die Erfordernisse des IoT fest im Blick, unterstützt Harting die Anwender mit Konzepten wie dem SmEC – dem Smart Electric Connector, die in der Lage sind, Energiedaten selbständig zu erfassen und über eine eigene Verwaltungsschale weiterzugeben. Damit wird der Steckverbinder zum smarten Baustein, und Energiemanagementdaten können so deutlich einfacher generiert werden.
Ralf Klein, Managing Director Harting Electronics: „In einer Welt, die zunehmend elektrifiziert und digitalisiert wird, sind zuverlässige und standardisierte Kommunikationstechnologien unerlässlich, um die verschiedenen Sektoren wie Energie, Landwirtschaft, Infrastruktur, Mobilität und Industrie effizient miteinander zu verbinden“.
„Die All Electric Society strebt eine klimaneutrale, elektrifizierte und digitalisierte Welt an, in der die Kriterien der Klimaneutralität erfüllt sind. Harting will die All Electric Society connecten, um die relevanten Sektoren von individuellen, sektorbasierten Ökosystemen hin zu einem integrierten, offenen Technologieansatz zu entwickeln. Ethernet, insbesondere der Technologiestandard IEEE 802.3, bietet hierfür eine solide Grundlage, da es eine weit verbreitete und akzeptierte Technologie für den Datenaustausch ist.“
„Die Ethernet-Norm IEEE 802.3 ist ein Standard, der von der Organisation Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) festgelegt wurde und die technischen Spezifikationen für Ethernet-Netzwerke beschreibt. Schlüsselpunkte der IEEE 802.3 Norm sind eine paketvermittelnde Methode, bei der Daten in Paketen übertragen werden, die von den darüberliegenden Protokollen, wie zum Beispiel TCP/IP kommen.“
„Das OSI-Schichtenmodell definiert auf den Schichten 1 (physische Schicht) und 2 (Datensicherungsschicht) des OSI-Modells die Adressierung und die Zugriffskontrolle auf verschiedene Übertragungsmedien.“
„Im Laufe der Zeit hat sich IEEE 802.3 weiterentwickelt, um höhere Geschwindigkeiten zu unterstützen, von Fast Ethernet (100 Mbps) über Gigabit Ethernet (1 Gbps) bis hin zu 10-Gigabit Ethernet und darüber hinaus. Die Norm IEEE 802.3 hat sich seit ihrer Einführung in den 1980er Jahren ständig weiterentwickelt und ist heute der Grundstein für die meisten Ethernet-basierten Netzwerke weltweit. Durch diese weite Verbreitung, die Akzeptanz und die technischen Möglichkeiten, ist Ethernet DAS Kommunikationsmedium, für die Datennetzwerke einer All Electric Society.“
