Smart Metering - intelligente Stromzähler und deren Datenmanagement

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Danksagung

Abstract

Kurzfassung

Abkürzungsverzeichnis

Schlüsselwörter

1 Einleitung
1.1 Grundlegendes zur Energieversorgung
1.2 Grundlegendes zum Stromnetz
1.3 Grundlagen des elektrischen Stroms
1.3.1 Elektrische Ladung
1.3.2 Elektrische Leiter
1.3.3 Stromstärke
1.3.4 Elektrische Spannung
1.3.5 Elektrischer Widerstand
1.3.6 Kraft
1.3.7 Mechanische Arbeit
1.3.8 Mechanische Leistung
1.3.9 Elektrische Arbeit
1.4 Stromverbrauch von Haushaltsgeräten:
1.5 Motivation für Intelligente Stromzähler:
1.5.1 Tarifanreize:
1.5.2 Zeitvariable Tarife:
1.5.3 Energie-Berater:

2 Smart Metering
2.1 Die Technik des intelligenten Zählers
2.2 Der Elektronische Haushaltszähler
2.3 Power Line Communication

3 Daten Erfassung
3.1 Erfassbare Daten
3.2 Datenmanagement:
3.3 Gefahren des Smart Metering

4 Auswertung der Daten
4.1 Auswertung und Visualisierung der Daten
4.2 Softwareanwendungen und Tools zur Auswertung
4.2.1 Beispiel: Energie-Steiermark
4.2.2 Beispiel Verbund
4.2.3 Beispiel Google PowerMeter

5 Weitere Möglichkeiten

6 Literaturverzeichnis

7 Quellenangaben zu Abbildungen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Vernetzung von Haushalt und Umfeld [Singh:2010]

Abbildung 2: System-Umfeld und Schnittstellen des MUC [FNN:2011]

Abbildung 3: Tages Strom-Verbrauch eines Haushalts [Molina: 2010]

Abbildung 4: Energie-Verbrauch eines Haushalts über mehrere Wochen [Molina: 2010]

Abbildung 5: Auswertung nach Geräten [Molina: 2010]

Abbildung 6: Verbrauchs-Zähler mit Kunden-Display [E-Steiermark]

Abbildung 7: Das Energie-Portal der E-Steiermark [E-Steiermark]

Abbildung 8: Verbrauchs-Auswertung nach Tarifen [E-Steiermark]

Abbildung 9: Das Energie-Tagebuch [E-Steiermark]

Abbildung 10: monatliche Verbrauchs-Information [E-Steiermark]

Abbildung 11: Schaltbare Aktoren können per App gesteuert werden [VERBUND:2012]

Abbildung 12: Auswertung am Smart-Phone [VERBUND:2012]

Abbildung 13: Real-time Darstellung im online-portal [VERBUND:2012] .

Abbildung 14: Online-Portal [VERBUND:2012]

Abbildung 15: Darstellung- Stromverbrauch - Einspeisung in das Netz [VERBUND:2012]

Abbildung 16: Funktionen des Power Meter (Bommes R:2011)

Abbildung 17: Schematischer Aufbau des Smart Grids [T-System:2011]

Smart-Metering Danksagung

Danksagung

Bei der Erstellung dieser Arbeit standen mir mehrere Menschen helfend zur Seite. An dieser Stelle möchte ich mich bei diesen Persönlichkeiten herzlich bedanken.

Bei meinem Betreuer, Herrn DI Dr. Nischelwitzer möchte ich mich für die gute Betreuung und zielführende Leitung durch dieses umfangreiche Themengebiet herzlich bedanken.

Ein spezieller Dank gilt den beiden Interview-Partnern, Herrn Mag. Schröck von der Energie-Steiermark und Herrn DI Weiss vom Verbund. Durch diese Interviews wurde für mich das Thema „angreifbarer“ und praxis-naher. Für die Bemühungen und das großzügige Entgegenkommen möchte ich mich an dieser Stelle recht herzlich bedanken.

Für die Vermittlung des theoretischen Basiswissens über wissenschaftliches Arbeiten möchte ich mich bei Herrn Dr. Arnold Hanslmeier herzlich bedan- ken.

Abstract

In recent years smart metering of energy demand gained more and more attention. This paper offers a general overview on the subject and focuses on managing the enormous amount of data.

Firstly, the reader gets some general information on energy, electricity and energy monitoring.

Next, the technical aspects of smart metering are discussed.

This paper focuses on the data management cycle. The whole process, start- ing from data gathering to analysing and visualisation is briefly discussed. The handling of the enormous data amounts is the main focus of this paper. Case studies and pilot projects are analysed in this paper and show practical experiences.

As a conclusion the reader gets an idea of what will be possible in the future, concerning intelligent electricity supply and intelligent homes.

Kurzfassung

In den vergangen Jahren gewann die digitale Verbrauchserfassung, das so genannte „smart Metering“ mehr und mehr an Bedeutung. Diese Arbeit bietet einen generellen Überblick über dieses Thema und legt den Fokus auf das Datenmanagement.

Zunächst wird in einem einführenden Kapitel das Verständnis für die Thema- tik Strom, Energie und die Verbrauchs-Erfassung geschaffen. In einem weiteren Kapitel wird die technische Umsetzung des Smart Mete- rings behandelt.

Im Speziellen wird auf das Daten Management der Verbrauchsdaten eingegangen. Von der Daten Erfassung über das Sammeln der Daten bis hin zur Auswertung, Analyse und Visualisierung der Daten wird der Umgang mit den Datenmengen behandelt.

Fallbeispiele und Pilotprojekte werden in dieser Arbeit analysiert und geben Einblick in die Praxis des Smart Metering.

Abschließend bekommt der Leser einen Ausblick auf weitere Anwendungs- möglichkeiten, welche durch die digitale Verbrauchserfassung ermöglicht werden.

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schlüsselwörter

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Grundlegendes zur Energieversorgung

Ein Grundlegendes Problem in der Energieversorgung ist die Eigenschaft des elektrischen Stroms, nur schwer speicherbar zu sein. Elektrischer Strom kann also nicht auf Vorrat produziert werden, sondern wird dem Bedarf entsprechend Erzeugt.

(Müller 1998, Seite 25)

Man spricht hier von verbrauchsorientierter Erzeugung. Das Problem der Energieversorger ist in diesem System ist, dass die Energieversorger ständig nur auf den geänderten Verbrauch reagieren können.

Speziell bei Spitzenlasten ist es notwendig, durch zusätzliche Kraftwerke den Bedarf zu decken. Diese zusätzlichen Spitzenlast-Kraftwerke sind teuer. (Schetters 2010:Seite 3)

Das gesamte Strom-System, also die Produktion und das Leitungssystem müssen darauf ausgelegt sein, die Spitzenlasten und eine Sicherheitsreserve standhalten zu können. Diese hohe Auslegung ist mit entsprechenden Kos- ten verbunden.

(Müller 1998: Seite 25)

Eine weitere Besonderheit des elektrischen Stromes ist, dass er nur Leitunggebunden transportiert werden kann.

(Müller 1998: Seite 27)

Außerdem hat elektrischer Strom die Eigenschaft, den Weg des geringsten Widerstandes zu gehen. Dies führt dazu, dass der Weg des Stroms durch das Stromnetz nur bedingt steuerbar ist.

(Müller 1998: Seite 37 ff)

Elektrischer Strom hat noch eine Reihe weitere Eigenschaften, welche in diesem Zusammenhang erwähnenswert sind.

Der Transport von elektrischem Strom über lange Strecken ist mit hohen Verlusten behaftet. Aus diesem Grund wird generell eine verbrauchsnahe Erzeugung angestrebt, um Transportstrecken zu minimieren. (Müller 1998: Seite 35)

Mit Smart-Grids (Details siehe entsprechendes Kapitel) soll das Ziel der verbrauchsnahen Erzeugung erreicht werden.

Eine weitere Schwierigkeit für das Stromnetz stellt die erneuerbare Energie dar. Wind- und Solarkraftwerke zum Beispiel können bei der StromProduktion nur bedingt beeinflusst werden und sind stark wetterabhängig. Durch den verstärkten Einsatz von diesen Stromerzeugungsarten wird die Stromproduktion zunehmend schwieriger zu planen.

(Schetters 2010:Seite 3)

Ziel sollte daher ein erzeugungsorientierter Verbrauch sein. Dort, wo Wahl- freiheit besteht, sollte dann Strom verbraucht werden, wenn er gerade in großen Mengen, und daher billig zur Verfügung steht. Um dieses Ziel des er- zeugungs-orientierten Verbrauchs umsetzten zu können, sind genaue Daten über den Stromverbrauch und die Stromproduktion notwendig. (Schetters 2010:Seite 4)

1.2 Grundlegendes zum Stromnetz

Das Stromnetz kann grob in drei Ebenen eingeteilt werden:

- Die Hochspannungsebene: Diese dient dem Langstrecken-Transport elektrischer Energie. Strecken bis zu mehreren hundert Kilometer können überbrückt werden.
- Die Mittelspannungsebene: Diese Ebene dient der Überbrückung von kürzeren Distanzen und letztendlich der Anbindung von Haushalten.
- Die Niederspannungsebene: Diese ist die Zuleitung der elektrischen Energie zu den einzelnen Haushalten (Dostert 2000: Seite 15)

Zwischen den Netzebenen sind Transformatoren, welche die “Übersetzung”, also die Transformation der elektrischen Energie in das jeweilige Netz vor- nehmen. (Dostert 2000: Seite 15)

Nachfolgend möchte ich auf die spezielle Situation in Österreich eingehen.

Im Jahr 1998 wurde der Strom-Markt in Österreich liberalisiert. Die bis dahin geltende Monopolstellung der Energieerzeuger wurde aufgelöst und neue Energieerzeuger drängten in den Markt.

In Deutschland wurde im Jahr 2010 auch das Zählerwesen liberalisiert. Kunden können sich seither ihren Netzbetreiber selber auswählen. Durch die Liberalisierung in der Energie-Branche standen die Unternehmen vor neuen Herausforderungen. (Schetters 2010:Seite 5)

In Österreich können Kunden ihren Energie-Erzeuger frei wählen. Bei den Netzbetreibern gibt es abhängig vom jeweiligen Wohnort ein Monopol. Die Monopolstellung der Netzbetreiber in Österreich erscheint auf den ersten Blick nicht den Gesetzen der freien Marktwirtschaft zu folgen. Bei näherer Betrachtung macht es aber durchwegs Sinn, im Bereich der Infrastruktur ein kontrolliertes Monopol zuzulassen. (Müller 1998: Seite 24)

Angenommen, Kunden könnten ihre Netzbetreiber frei wählen und zwischen den Betreibern wechseln. Bei der Installation der Infrastruktur hätte ein Be- treiber die vollen Kosten zu tragen. Die Installation bliebe auch beim Wechsel des Kunden zu einem anderen Betreiber bestehen. Wechselt der Kunde nun zu einem anderen Betreiber hätte dieser keine Kosten für die Installation der Infrastruktur getätigt und könnte trotzdem vom Kunden Leistungen verrech- nen. Der Fairness halber müsste dann der neue Netzbetreiber dem alten B e- treiber seine Leistungen für die Installation der Infrastruktur ab gelten. Allein an diesem simplen Beispiel merkt man schon, wie kompliziert das System bei einer Liberalisierung der Netzbetreiber werden würde. Deshalb macht es durchwegs Sinn, diesen Teil des Stromversorgung unter ein kontrolliertes Monopol zu stellen. (Müller 1998: Seite 25)

1.3 Grundlagen des elektrischen Stroms

In diesem Kapitel soll die Grundlagen des elektrischen Stroms vermittelt werden. Dies soll einem besseren Verständnis der Thematik dienen. Der interessierte Leser wird an dieser Stelle an die Quell-Literatur verwiesen, wo ausführlichere Erklärungen zu finden sind.

1.3.1 Elektrische Ladung

Ein Atom besteht aus einem Atom-Kern und einer Hülle. Positiv geladene Elemente (diese nennt man Protonen) und neutral geladene Elemente (Neutronen) bilden zusammen den Atom-Kern. Negativ geladene Elemente (Elektronen) bewegen sich um den Atom-Kern und bilden die Hülle. (Seyr, Schweiger 2008, Seite 6)

1.3.2 Elektrische Leiter

In elektrischen Leitern (zum Beispiel Metalle) kreisen nicht alle Elektronen um ihre Atomkerne. Einige Elektronen können sich frei bewegen. Als elektrischen Strom bezeichnet man ein Fließen von Elektronen in einem Leiter. (Seyr, Schweiger 2008, Seite 7)

1.3.3 Stromstärke

Die Stromstärke ist die Zahl der Elektronen, die je Sekunde durch einen Leiter fließen und wird in Ampere (A) gemessen.

Die Stromstärke beträgt 1 A, wenn in jeder Sekunde 6,28 Trillionen Elektronen fließen. (Seyr, Schweiger 2008, Seite 7)

1.3.4 Elektrische Spannung

Damit freie Elektronen fließen und ein elektrischer Strom entsteht, benötigt man einen auf die Elektronen wirkenden Druck. Diesen Elektronendruck nennt man elektrische Spannung und wird in Volt (V) gemessen. Alle Geräte, die eine elektrische Spannung erzeugen, nennt man Spannungsquellen. Das sind zum Beispiel Batterien oder Generatoren. (Seyr, Schweiger 2008, Seite 8)

1.3.5 Elektrischer Widerstand

In einem Leiter wird den Elektronen ein Widerstand entgegengesetzt. Die Elektronen müssen zwischen den Atomen des Atomgitters durchströmen. Dadurch entsteht elektrischer Widerstand. Dieser wird in Ohm gemessen. Ein Widerstand hat 1 Ohm, wenn er bei Anschluss an 1 Volt einen Strom von

1 Ampere aufnimmt.

(Seyr, Schweiger 2008, Seite 11)

1.3.6 Kraft

Die Einheit für Kraft ist das Newton N.

1 Newton ist jene Kraft, die man braucht, um der Masse von 1kg eine Beschleunigung von 1 m/s zu erteilen.

(Seyr, Schweiger 2008, Seite 48)

1.3.7 Mechanische Arbeit

Mechanische Arbeit wird verrichtet, wenn eine Kraft einen Widerstand längs eines Weges überwindet. Mechanische Arbeit wird in Joule (J) gemessen. Die Arbeit von 1 Joule wird geleistet, wenn eine Kraft von 1 Newton über einen Weg von 1 Meter wirkt.

(Seyr, Schweiger 2008, Seite 50)

1.3.8 Mechanische Leistung

Leistung ist Arbeit je Zeiteinheit.

Ein Watt ist die Leistung von 1 Joule pro Sekunde.

Leistung in Watt = Spannung in Volt mal Stromstärke in Ampere

Die Leistung 1 Watt entsteht, wenn an einen Widerstand 1 Volt anliegt und 1 Ampere fließt.

(Seyr, Schweiger 2008, Seite 52)

1.3.9 Elektrische Arbeit

Die Arbeit ist umso größer, je länger die Leistung eingeschaltet ist.

Eine Arbeit von einer Wattsekunde (1Ws) erhält man, wenn man 1 Watt eine Sekunde lang einschaltet.

Hier ein einfacher Zusammenhang:

1 Wattsekunde = 1 Joule = 1 Newtonmeter (Seyr, Schweiger 2008, Seite 50)

Mit der Stromrechnung werden neben Pauschalgebühren, Zählergebühren und Steuern die verbrauchte Arbeit in kWh, (Kilowatt- Stunde), also die vom Elektrizitätswerk gelieferte Energie verrechnet.

Dazu ein einfaches Rechenbeispiel zum Verständnis:

Eine Glühbirne mit 60 W ist pro Woche 40 Stunden eingeschaltet. Welche Arbeit wird dabei verbraucht?

(Seyr, Schweiger 2008, Seite 58)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.4 Stromverbrauch von Haushaltsgeräten:

Um ein besseres Verständnis für den elektrischen Strom und vor allem über den Stromverbrauch zu bekommen, werden in dem folgenden Kapitel der Stromverbrauch und die damit verbunden Stromkosten von Haushalts- Geräten erläutert.

Bügeleisen:

Das Bügeleisen konsumiert bei mittlerer Leistung 7,2 A pro Minute. Während dem Bügeln schaltet das Bügeleisen alle 30 Sekunden aus und dann wieder ein um die Temperatur konstant zu halten. Bei einer Stunde Bügeln wäre das eine elektrische Arbeit von: 230V * 7,2A *0,5* 1h = 0,828 kWh. Bei einem Strompreis von mit€ 0,20/kWh würde eine Stunde Bügeln € 0,17 kosten. (Sparstduenergie.de 2012)

Kühlschrank:

Als Beispiel für die Berechnungen wurde ein Modell von Liebherr gewählt. Der Kühlschrank ohne Gefrierfach hat einen Jahres-Verbrauch von 120 kWh, das entspricht einem Tagesverbrauch von 0,33 kWh. Bei einem Strompreis von € 0,20/kWh kostet der Betrieb eines Kühlschranks für einen Tag € 0,07. (Stromverbrauchinfo.de 2012)

Kühl-Gefrierschrank-Kombination

Das Modell von Liebherr hat einen ausgewiesenen Verbrauch pro Jahr von 469 kWh, daraus errechnet sich ein Tages-Verbrauch von 1,28 kWh. Bei einem Strompreis von € 0,20/kWh kostet der Betrieb des Geräts für einen Tag € 0,26.

(Stromverbrauchinfo.de 2012)

TV-Geräte

Als Basis für diese Beispiel-Berechnung wurde ein 32 Zoll (81 cm) TV Gerät von Samsung herangezogen. Das Gerät hat im Normal-Betrieb einen Ver- brauch von 80,0 W. Maximal kann der Stromverbrauch jedoch auf 120 W an- steigen. Eine Stunde bei voller Leistung verbraucht daher 0,120 kWh. Bei ei- nem Strompreis von € 0,20/kWh kostet der Betrieb des Geräts für eine Stun- de € 0,03.

Quelle:

(Stromverbrauchinfo.de 2012)

Waschmaschine.

Am Beispiel einer Siemens Waschmaschine mit 8kg Fassungsvermögen sollen die Strom-Kosten für einen Waschgang errechnet werden. Der Stromverbrauch bei 60° C Vollbeladung liegt bei 1,03 kWh. Bei einem Strompreis von € 0,20/kWh kostet der Betrieb des Geräts für eine Stunde € 0,21. (Stromverbrauchinfo.de 2012)

23 Zoll Monitor

Der 23 Zoll Monitor von Samsung verbraucht im Schnitt 51W. Bei einem einstündigen Betrieb verbraucht der Monitor also 0,051 kWh. Bei einem Strompreis von € 0,20/kWh kostet das € 0,01.

(Stromverbrauchinfo.de 2012)

Elektroherd

Zur Zubereitung von 300g Nudeln verbraucht der E-Herd 0,20 kWh. Bei einem Preis von € 0,20/kWh kostet das € 0,04.

(umweltbewusst-heizen.de 2012)

Backofen

Zur Zubereitung von einem Blech Pizza verbraucht der Backofen zwischen 1,0 kWh bis 1,3 kWh. Das kostet bei einem Strompreis von 0,20 €/kWh € 0,26.

(umweltbewusst-heizen.de 2012)

1.5 Motivation für Intelligente Stromzähler:

In diesem Abschnitt möchte ich die Frage “Warum Smartmetering” beatwor- ten. „Energie zu Daten machen“ (Schetters 2010:Seite 11), das ist ein zentra- ler Aspekt der intelligenten Verbrauchserfassung. Wie Peter Drucker sagte: „Was du nicht messen kannst, kannst du nicht lenken!“ Beherzigt man di esen Spruch, so wird klar, warum eine genaue Verbrauchserfassung notwendig ist.

Mithilfe der intelligenten Stromzähler sollen natürlich einige Ziele verfolgt werden.

Es soll der Energie-Einsatz bei den Verbrauchern optimiert werden. Dazu zählt unter anderem das Konzept des Produktionsorientierten Verbrauchs. Strom, vor allem aus erneuerbaren Quellen, soll dann verbraucht werden, wenn er gerade billig und in großen Mengen vorhanden ist. Dazu müssten aber die Verbraucher wissen, wie teuer der Strom gerade ist. Dafür sind aber genaue Daten erforderlich.

(Schetters 2010: Seite 12)

Dies führt zu einem weiteren Punkt, der durch das Smart Metering umgesetzt werden soll. Für Stromerzeuger soll es möglich sein, variable Tarife anzubi e- ten, die sich je nach Angebot und Nachfrage am Markt regeln. (Christ 2010:Seite 38)

Wie eingangs schon erwähnt, ist der Stromverbrauch starken Schwankungen unterworfen, was wiederum zu Spitzenlasten führt. Durch die variablen Tarife sollen Verbraucher dazu angehalten werden, ihren Verbrauch etwas zu verschieben. Dadurch sollen Spitzenlasten vermieden werden und eine glättung der Lastkurve herbeigeführt werde. Man erhofft sich dadurch, eine Einsparung von teuren Spitzenlastkraftwerken.

(Schetters 2010: Seite 13)

Außerdem sind diese Daten für Netzbetreiber sehr wichtig. Um die Stabilität der Stromnetze zu erhöhen, sind genaue Daten über Strom-Verbrauch und Produktion, zb von privaten Photovoltaik- Anlagen erforderlich. In diesem Zusammenhang spricht man auch von Smart-Grids. Intelligente Netze, die den Stromfluss intelligent steuern können. Nähere Informationen finden Sie hierzu im Kapitel Smart-Grids.

(Schetters 2010: Seite 14)

Außerdem soll es durch die digitale Verbrauchserfassung möglich werden, neue Produkte im Energie-Sektor anbieten zu können. Dazu zählen vor allem auch Service-Dienstleistungen. Dadurch können Energie-Erzeuger durch unterschiedliche Zusatz-Leistungen neue Produkte anbieten. Auch für Unternehmen aus anderen Branchen bietet sich durch die enorme Datenmenge und deren Management ein neues Geschäftsfeld.

(Christ 2010:Seite 41)

Beispielhaft sind hier einige neue Produkte und Dienstleistungen angeführt, welche sich durch das Smart-Metering eröffnen:

1.5.1 Tarifanreize:

Der Verbraucher soll seinen Verbrauch verlagern, hin zu Zeiten, wo regenerative Energei (Fotovoltaik) verfügbar ist.

(Christ 2010:Seite 42)

Durch die zur Verfügung stehenden Informationen über den Stromverbrauch, können Konsumenten rationell entscheiden, ob der Nutzen, ein elektrisches Gerät in Betrieb zu nehmen, größer ist, als die Kosten.

(Strengers, 2011)

1.5.2 Zeitvariable Tarife:

Waschmaschinen, Wäschetrockner sollen dann betrieben werden, wenn der Strompreis gerade billig ist. In diesem Zusammenhang spricht man von Smart-Home (siehe dazu Kaptiel “Smart Home”).

Zusatz-Service: Die Verbrauchsdaten der Kunden können als zusätzliches Service längere Zeit gespeichert und grafisch aufbereitet werden. (Jungfleisch 2010: Seite 39)

1.5.3 Energie-Berater:

Aus den Verbrauchsdaten der Kunden ließe sich womöglich ein Einspa- rungs- Potential erkennen. Geschulte Energie-Berater können als Service diese Spar-Potentiale erkennen und so dem Kunden helfen, Energie zu sparen.

(Schetters 2010: Seite 12)

Ein generelles Ziel der genauen Verbrauchserfassung ist es, bei den Konsumenten ein Energie-Bewusstsein zu schaffen. Es soll den Endverbrauchern bewusst gemacht werden, welchen Preis Energie hat, und so soll auch der Energieverbrauch reduziert werden.

Durch die genaue Erfassung und Visualisierung des Stromverbrauchs kann der Verbraucher dahingehend sensibilisiert werden.

(Kurth 2010:Seite 15)

Ein mögliches Beispiel, welches später noch in dem Kapitel über den Feldversuch der E-Steiermark näher erklärt wird, möchte ich hier zur Erläuterung der Sensibilisierungs-Idee erwähnen:

[...]