Die Diplomarbeit würde mit dem Georg-Hummel-Preis Technik 2011 ausgezeichnet.
Durch die Zunahme dezentraler Energieerzeuger und Reduzierung konventioneller Kraftwerke wird zur Aufrechterhaltung der Versorgungssicherheit der Netze zunehmend eine kommunikative Vernetzung und aktive Steuerung von Energieerzeugung und -verbrauch (Smart Grids) notwendig.
Smart Metering setzt genau bei diesen Problemstellungen an. Durch die Umstellung der Zählertechnologie von den nicht kommunikationsfähigen Ferrariszählern hin zu vernetzten bidirektional kommunizierenden intelligenten Zählern (Smart Meter), werden die Voraussetzungen für Smart Grids geschaffen. Zugleich bietet das Smart Metering neben Effizienzsteigerungen durch eine automatische Zählerfernauslesung und -steuerung das Potential zur Steigerung der Energieeffizienz durch einen integrierten regelmäßigen Feedbackprozess verbrauchter Energie. Empirischen Studien zufolge werden durch die regelmäßigen Informationen 5 bis 15% an elektrischer Energie eingespart…
Ziele und Abgrenzung:
Zur Realisierung von Smart Metering kann aus einer Vielzahl von Infrastrukturarchitekturen und Übertragungstechnologien ausgewählt werden, die sich in ihrer Effizienz unterscheiden. Neben diesen Gesichtspunkten spielen auch die geografischen Gegebenheiten bei der Entscheidung eine Rolle. Die in einem urbanen Gebiet bevorzugte Technik muss nicht zwingend auch die beste Lösung in ländlichen Gebieten sein. Auch sind soziale Aspekte wie Strahlung einzubeziehen, da der Erfolg des Smart Metering maßgeblich von der Akzeptanz des Endverbrauchers abhängt.
Ziel dieser Arbeit ist die konzeptionelle Analyse und Evaluierung geeigneter Übertragungstechnologien und Netzwerkstrukturen für eine effiziente Realisierung des Smart Meterings im Bereich der Nahkommunikation mit Hilfe eines Bewertungsalgorithmus. Hierzu werden u.a. anerkannte Methoden, Modelle und Standards genutzt, relevante Entscheidungkriterien (in 2 Ebenen) aufgestellt und die Alternativen paarweise über den objektiven mehrstufigen Analytic Hierarchie Process (AHP) evaluiert. Die Nahkommunikation fokussiert sich auf die kommunikative Vernetzung der Zähler unterschiedlicher Sparten bis zu einem Datenkonzentrator.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation und Rahmenbedingungen
1.2 Ziele und Abgrenzung
1.3 Vorgehen
2 Smart Metering
2.1 Rechtliche Rahmenbedingungen
2.1.1 EU-Richtlinien
2.1.2 Nationale Vorgaben
2.2 Aufgaben und Rollen der Marktteilnehmer
2.3 Auswirkungen
3 Metering Informations- und Kommunikationssystem
3.1 Information
3.2 Kommunikation
3.2.1 Normen
3.2.2 Netzwerke
3.3 Modelle
4 Modellierung der Fachkonzeptschicht
4.1 Normen und Methoden
4.1.1 IEC 61970 – Common Information-Model
4.1.2 IEC 61968 – Metering-Prozesse
4.2 Modellierung der Organisationssicht
4.3 Modellierung der Steuerungssicht
4.3.1 Bewertungsverfahren
4.3.2 Übersicht der Szenarien und Anwendungsfälle
4.3.3 Zählerinstallations- und Austauschprozess
4.3.4 Energiedienstleisterwechselprozess
4.3.5 Messdatenübertragungsprozess
4.3.6 Zählersteuerungsprozess
4.3.7 Ereignisübermittlungsprozess
4.3.8 Datensynchronisationsprozess
4.4 Modellierung der Datensicht
4.4.1 UML-Klassendiagramm Metering
4.4.2 Volumenbetrachtung
4.5 Modellierung der Funktionssicht
5 Kriterien zur Architektur- und Technologieauswahl
5.1 Systemanforderungen
5.1.1 Interoperabilität
5.1.2 Marktdurchdringung
5.1.3 Skalierbarkeit
5.2 Datensicherheit
5.2.1 Datenintegrität
5.2.2 Vertraulichkeit
5.2.3 Verfügbarkeit
5.3 Kommunikation
5.3.1 Nutzenübertragungsrate
5.3.2 Kommunikationseffizienz
5.3.3 Übertragungsdauer
5.3.4 Echtzeitfähigkeit
5.4 Teilnehmer
5.4.1 Reichweite
5.4.2 Teilnehmeranzahl
5.4.3 Frequenznutzung
5.5 Teilnehmerinteraktion
5.5.1 Kommunikationsrichtung
5.5.2 Betriebsart
5.6 Soziale Anforderungen
5.6.1 Strahlung
5.6.2 Energieverbrauch
5.7 Kosten
6 Szenarioentwicklung
6.1 Ländliches Szenario
6.2 Urbanes Szenario
7 Infrastruktur Nahübertragung
7.1 Kommunikation
7.1.1 Autonomer Zähler
7.1.2 Multisparten-Zähler
7.1.3 Multi Utility Communicator
7.1.4 Bewertung
7.2 Verbrauchsanzeige
7.2.1 Energiedisplay
7.2.2 Online-Portal
7.2.3 Bewertung
8 Übertragungsstandards im Bereich der Nahkommunikation
8.1 Drahtlose Kommunikation
8.1.1 Kommunikationsträger
8.1.1.1 868-MHz-Band
8.1.1.2 2,4-GHz-Band
8.1.1.3 Dect-Band
8.1.2 Drahtlose Technologien
8.1.2.1 WLAN / WI-FI
8.1.2.2 Bluetooth
8.1.2.3 ZigBee
8.1.2.4 DECT
8.1.2.5 EnOcean
8.1.2.6 Z-Wave
8.1.2.7 Wireless-M-Bus
8.2 Drahtgebundene Kommunikation
8.2.1 Kommuniktionsträger
8.2.1.1 PLC
8.2.1.2 Twisted-Pair
8.2.1.3 Lichtwellenleiter
8.2.2 Drahtgebundene Technologien
8.2.2.1 KNX-PL
8.2.2.2 KNX-TP
8.2.2.3 KNX-IP
8.3 Stärken und Schwächen
9 Gegenüberstellung und Bewertung
9.1 Entscheidungsmodelle als Grundlage
9.2 Analytic Hierarchie Process
9.2.1 Beurteilungsskala und Gewichtung
9.2.2 Prioritätenberechnung
9.2.3 Konsistenzprüfung
9.2.4 Bewertung der Handlungsalternativen
9.2.5 Ergebnis und Handlungsempfehlung
9.2.6 Sensitivitätsanalyse
10 Schlussbetrachtung und Ausblick
11 Anhang
Anhang 1: Standards
Anhang 2: Nachrichtenformate
Anhang 3: Übersicht Besonderheiten 868-MHz-Band
12 Literaturverzeichnis
13 Quellenverzeichnis
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Diplomarbeit ist die konzeptionelle Analyse und Evaluierung geeigneter Übertragungstechnologien sowie Netzwerkstrukturen zur effizienten Realisierung von Smart Metering im Bereich der Nahkommunikation. Mithilfe eines wissenschaftlich fundierten Bewertungsalgorithmus soll die geeignetste Architektur bestimmt werden, um die Anforderungen an Smart Grids zu erfüllen und Mehrwertdienste für Endverbraucher sowie Versorgungsunternehmen zu ermöglichen.
- Analyse der regulatorischen Anforderungen und Marktrollen im Smart Metering
- Modellierung des Informations- und Kommunikationssystems mittels ARIS-Methode
- Entwicklung und Anwendung eines Bewertungsalgorithmus (AHP) zur Auswahl optimaler Technologien
- Untersuchung technischer Infrastrukturen wie Autonome Zähler, Multisparten-Lösungen und MUC
- Gegenüberstellung und Bewertung von drahtgebundenen und drahtlosen Übertragungsstandards
Auszug aus dem Buch
1.1 Motivation und Rahmenbedingungen
Durch die Vorgaben des Gesetzgebers die zuvor genannten Klimaschutzziele zu erreichen, hat das Smart Metering in der Energiebranche einen hohen Stellenwert eingenommen. Ab dem Jahr 2010 wird mit dem Roll-out der intelligenten Zähler auch in Deutschland begonnen, während in anderen Ländern wie Italien oder Schweden auf Grund der monopolistischen Versorgerstruktur bereits der Austausch nahezu abgeschlossen ist. Im nächsten Jahr kommen noch weitere Anforderungen seitens des Gesetzgebers hinzu, sodass durch die eingesetzte Technik auch der Einsatz variabler Tarife möglich ist. Ein oft diskutiertes Thema ist die Fragestellung, wer die Investitionskosten der neuen Technologie trägt. Die Unternehmen werden diese trotz Einsparungen durch Verbesserung der Prozesseffizienz (u.a. Fernablesung, -abschaltung) nicht allein tragen.
Ebenso wird auf der anderen Seite der Endverbraucher nicht allein durch Visualisierung seines Energieverbrauchs dauerhaft bereit sein, die Mehrkosten zu tragen. Einen Anreiz könnte das Angebot weiterer Mehrwertdienste (Richtung Smart Home) für den Endverbraucher bieten. Um das Geschäft erst einmal für Dienstleister attraktiv zu machen ist jedoch eine Mindestgröße installierter Smart Meter notwendig. Bis zum Jahr 2015 wird mit einem Anteil intelligenter Zähler in Deutschland in Höhe von 15 % (> 6 Mio. Zähler) gerechnet, so dass ab diesem Zeitpunkt ein Markt für Mehrwertdienstleistungen erwartet werden kann.
Einen deutlichen Schub könnte das Smart Metering aus der Richtung intelligenter Netzsteuerung bekommen, da die Technologie die Basis für Smart Grids darstellt. Unter Experten wird mit einer Umsetzung intelligenter Netze bis zum Jahr 2020 gerechnet, falls zu diesem Zeitpunkt die erneuerbare Energie den von der EU angestrebten Anteil von 20% erreicht hat und die Elektromobilität weiter an Attraktivität gewinnt. Mit jedem Schritt steigen die Anforderungen an die Kommunikationsinfrastruktur.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung motiviert die Notwendigkeit von Smart Metering im Kontext des Klimaschutzes und erläutert die Zielsetzung sowie das Vorgehen der Arbeit.
2 Smart Metering: Das Kapitel beleuchtet die rechtlichen Rahmenbedingungen auf EU- und nationaler Ebene sowie die veränderten Rollen und Aufgaben der Marktteilnehmer.
3 Metering Informations- und Kommunikationssystem: Hier werden theoretische Grundlagen zu Information und Kommunikation gelegt und die Notwendigkeit eines strukturierten Informations- und Kommunikationssystems dargelegt.
4 Modellierung der Fachkonzeptschicht: Dieses Kapitel modelliert die Prozesse und Datenflüsse des Smart-Metering-Systems unter Anwendung von ARIS-Methoden, IEC-Standards und einer detaillierten Volumenbetrachtung.
5 Kriterien zur Architektur- und Technologieauswahl: Es werden relevante Bewertungskriterien wie Interoperabilität, Sicherheit und technische Parameter für die Auswahl der Kommunikationstechnologien abgeleitet.
6 Szenarioentwicklung: Zur differenzierten Betrachtung werden ländliche und urbane Szenarien für den Einsatz der Smart-Metering-Infrastruktur definiert.
7 Infrastruktur Nahübertragung: Verschiedene Realisierungsformen wie autonome Zähler, Multisparten-Zähler und MUC-Konzepte werden analysiert und bewertet.
8 Übertragungsstandards im Bereich der Nahkommunikation: Hier erfolgt eine tiefgehende Analyse drahtloser und drahtgebundener Kommunikationsstandards hinsichtlich ihrer Eignung.
9 Gegenüberstellung und Bewertung: Abschließend erfolgt die Auswahl der besten Handlungsalternative mithilfe des Analytic Hierarchie Processes (AHP) inklusive einer Sensitivitätsanalyse.
10 Schlussbetrachtung und Ausblick: Das Kapitel fasst die Ergebnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf die zukünftige Marktentwicklung von Smart Metering Technologien.
Schlüsselwörter
Smart Metering, Smart Grids, Nahkommunikation, Informationsmanagement, ARIS-Konzept, Analytic Hierarchie Process, Kommunikationstechnologien, Energiewirtschaft, Interoperabilität, Datensicherheit, Datenkonzentrator, MUC, Lastmanagement, Energieeffizienz, Normung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt die konzeptionelle Analyse und Evaluierung effizienter Architekturkonzepte und Kommunikationstechnologien für Smart Metering-Systeme im Bereich der Nahkommunikation.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Zu den zentralen Themen gehören rechtliche Vorgaben, die Modellierung von Informations- und Kommunikationsprozessen, die Bewertung technischer Standards und die Entwicklung von Szenarien für urbane und ländliche Gebiete.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, ein strukturiertes Konzept zu entwickeln, um mittels eines Bewertungsalgorithmus die für einen Energieversorger effizienteste Architektur und Technologie für Smart Metering zu identifizieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit nutzt zur Prozessmodellierung die ARIS-Architektur und zur Entscheidungsfindung den Analytic Hierarchie Process (AHP), um komplexe technologische Alternativen vergleichbar zu machen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die Modellierung der Fachkonzeptschicht, die Definition von Bewertungskriterien, die Analyse technischer Übertragungsstandards und die anschließende mehrstufige Bewertung der Handlungsalternativen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Smart Metering, Smart Grids, ARIS, AHP, Nahkommunikation, Energiewirtschaft und Interoperabilität sind die zentralen Begriffe.
Welche Architektur wird für die Nahkommunikation präferiert?
Die Arbeit präferiert das MUC-Konzept (Multi Utility Communicator), da dieses im Vergleich zu anderen Ansätzen in der Bewertung der Kriterien als am effizientesten eingestuft wurde.
Warum spielt die Kostenhierarchie eine so wichtige Rolle?
Aufgrund der hohen Investitionskosten für Zähler und zusätzliche Hardware wie Repeater oder Controller ist eine Trennung von Nutzen und Kosten für eine wirtschaftliche Beurteilung zwingend erforderlich.
Welches Fazit zieht der Autor für ZigBee?
Der Autor stellt fest, dass ZigBee im 2,4 GHz-Band eine standardisierte und skalierbare Lösung bietet, die sowohl im ländlichen als auch im urbanen Szenario eine effiziente Kommunikation gewährleistet.
- Citation du texte
- Dipl. Wirtschaftsinformatiker (FH) Christian Schäfer (Auteur), 2010, Effiziente Architekturen und Technologien zur Realisierung von Smart Metering im Bereich der Nahkommunikation, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/152069
