Smart Devices im Haushalt. Risiken und Chancen ihrer Nutzung

Gliederung

1. Einführung
1.1 Begriffserklärung Smart Devices
1.2 Verwandte Arbeiten

2. Chancen von Smart Devices
2.1 Energiesparpotential
2.1.1 Smart Meter
2.1.1.1 Gesetzliche Einbaupflicht
2.1.1.2 Stromverbrauch senken
2.1.2 Heizungssystem
2.2 Komfort
2.3 Sicherheit und Überwachung
2.4 Ambient-Assisted-Living-Technologien (AAL)
2.4.1 „SUSI TD“
2.4.2 „OPDEMIVA 35“

3. Risiken von Smart Devices
3.1 Bedrohung durch Hackerangriffe
3.1.1 Sicherheitslücken
3.1.2 Nutzen für den Angreifer
3.2 Datenschutz

4. Fazit

5. Ausblick

6. Abbildungsverzeichnis

7. Literaturverzeichnis

1. Einführung

Die Digitalisierung hat die Arbeitswelt in den meisten Branchen bereits erschlossen. Auch das Einsetzen von intelligenten Geräten im Wohnbereich ist in den letzten Jahren deutlich angestiegen. Rund zwölf Prozent der deutschen Haushalte besitzen bereits Smart Devices. Prognosen besagen, dass dieser Wert in drei Jahren bereits auf 30 Prozent steigen soll¹. Allerdings gibt es auch viele Personen, welche die Nutzung vernetzter Geräte im eigenen Wohnraum aufgrund der Sicherheit verweigern. Ziel dieser Arbeit ist es, über die Chancen und Risiken von Smart Devices im Haushalt zu informieren.

Zunächst werden Möglichkeiten und Anwendungsbeispiele zur Nutzung vernetzter Geräte erläutert, da es verschiedene Motivationen gibt, solche Devices in das eigene Haus zu integrieren. Danach wird über die daraus resultierenden Gefahren und den unterschiedlichen Risiken berichtet. Es werden zu beiden Teilbereichen aktuelle Beispiele aufgeführt und darauf basierend stellenweise über mögliche Szenarien spekuliert. Abschließend gibt es einen kurzen Ausblick, was sich durch diese Entwicklung in naher Zukunft verändern könnte.

1.1 Begriffserklärung Smart Devices

„Smart Devices sind informationstechnisch aufgerüstete Alltagsgegenstände, die einen Mehrwert durch sensorgestützte Informationsverarbeitung und Kommunikation erhalten “². Der Unterschied zum Begriff „Smart Home“ ist, dass diese Geräte alleine agieren können. Werden mehrere „Smart Devices“ vernetzt, spricht man von einem „Smart Home System“. Da im Folgenden aber unter anderem auch über Gegenstände berichtet wird, die nicht mit anderen Haushaltsgeräten vernetzt sein müssen um als „intelligent“ bezeichnet zu werden (z.B. Smart TV), wird in dieser Arbeit allgemein der Begriff „Smart Devices“ verwendet.

1.2 Verwandte Arbeiten

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2. Chancen von Smart Devices

Im folgenden Kapitel werden verschiedene Möglichkeiten der Anwendung von Smart Devices im Haushalt behandelt.

2.1 Energiesparpotential

Der Hauptgrund für die Nutzung intelligenter Haushaltsgeräte im eigenen Wohnbereich ist die daraus resultierende Energieersparnis.

Die Hälfte aller Deutschen, welche Smart Devices im Haushalt nutzen, erhoffen sich Energieeinsparungen³.

2.1.1 Smart Meter

Das Smart Meter ist ein digitaler, intelligenter Stromzähler, der Verbrauchsdaten in bestimmten Zeitintervallen, welche auch sekündlich sein können, an das intelligente Stromnetz (Smart Grid) sendet und in Zukunft die herkömmlichen Zähler ersetzen soll. Der Verbraucher kann somit genauere Daten über seinen Stromverbrauch auswerten, das Stromnetz wird effektiver geregelt und regenerative Energieproduzenten können optimal ausgenutzt werden.

2.1.1.1 Gesetzliche Einbaupflicht

Am 2. September 2016 ist das „ Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende“ beschlossen worden. In diesem Gesetz ist es ab dem Jahr 2017 für Großverbraucher (Verbrauch ab 10.000 kWh pro Jahr) Pflicht, Smart Meter einzubauen. Für Haushalte, die über eine stromerzeugende Anlage mit mehr als 7 kW Nennleistung verfügen, besteht ab 2020 für alle Stromverbraucher die gesetzliche Pflicht, intelligente Stromzähler einzubauen⁴.

2.1.1.2 Stromverbrauch senken

Ein großer Vorteil vom intelligenten Stromzähler ist, dass er den Verbrauch an die schwankenden Strompreise anpassen kann.

Einige Abbildungen im Text können aus urheberrechtlichen Gründen nicht veröffentlicht werden.

Die verstärkte Nutzung erneuerbarer Energien in Europa führt zu einer vermehrten fluktuierenden Stromerzeugung, da diese von verschiedenen Umweltfaktoren wie z.B. Wind oder Sonne abhängt. Da Angebot und Nachfrage im Stromnetz stets ausgeglichen sein müssen, entstehen zu Zeiten, in denen ein „Überangebot“ an Strom herrscht, niedrigere Preise, um eine erhöhte Nachfrage zu gewährleisten. Da das Smart Meter vernetzt ist, erhält es vom jeweiligen Energiedienstleister zu unterschiedlichen Zeiten verschiedene Stromtarife. Das Smart Meter aktiviert oder deaktiviert dementsprechend Haushaltsgeräte, welche also nicht immer zwingend in Betrieb sein müssen, um Kosten zu sparen. Realisiert wird dies dadurch, dass das Smart Meter anhand vom Stromverbrauch auf die unterschiedlichen Haushaltsgeräte schließen kann⁵. Der Benutzer kann dann festlegen, welche Geräte priorisiert und somit nicht ausgeschaltet werden dürfen. Ist der Stromtarif niedrig, können Geräte eingeschaltet werden, die viel Strom verbrauchen, wie zum Beispiel die Waschmaschine, Trockner oder Spülmaschine. Besitzer elektrischer Autos, könnten das Fahrzeug zukünftig an einer intelligenten Ladestation zu Zeiten günstiger Stromtarife aufladen⁶.

„Für Stromverkäufer und Netzbetreiber sind granulare Verbrauchsdaten ebenfalls von Interesse, da diese zu Planungszwecken, Ausführung von Netzoptimierungen, Vorhersage von Lastspitzen und informierte Beratungen der Kunden herangezogen werden können“ ⁷.

Abbildung 1: Standardlastprofil

Folgendes Diagramm zeigt das Verbrauchsverhalten der Strom-Haushaltskunden an verschiedenen Wochentagen im Winterhalbjahr:

Der intelligente Stromzähler kann auch als Steuergerät fungieren.

Viele Haushalte setzen in letzter Zeit auf eigene, regenerative stromproduzierende Anlagen, um nicht mehr zu 100 Prozent auf externe Energieversorger angewiesen zu sein. Damit die eigene Anlage optimal ausgenutzt werden kann und die externe Stromversorgung erst dann einsetzt, wenn die eigens produzierte Energie knapp wird, kann der intelligente Stromzähler dies managen, analysieren und eventuell anschließend optimieren. Der Benutzer kann aber stets in das Management eingreifen und die Einstellungen seinen Bedürfnissen anpassen.

2.1.2 Heizungssystem

Die meisten moderneren Heizungssysteme bieten einen Internetanschluss, welcher für zusätzliche Funktionen genutzt werden kann. Das Heizungssystem kann somit auch außerhalb der Wohnung mit dem Smartphone ferngesteuert werden. Mit intelligenten Heizungsmanagements können Zeitpläne erstellt werden, um die Solltemperatur in ausgewählten Räumen zu bestimmten Zeiten zu erzielen. Das System ermittelt im Laufe einer bestimmten Zeit die Aufheizphasen für die gewünschten Temperaturen und kann dadurch die Heizung zum optimalen Zeitpunkt anschalten. Eine weitere Funktion mit Internetanschluss ermöglicht es zudem, mit Hilfe des GPS-Systems vom Smartphones des Anwenders, zunächst den Standort des Benutzers zu ermitteln, um dann die Zeit bis zur Ankunft des Hausbesitzers zu berechnen und so, alternativ zur Zeitsteuerung, die gewünschte Raumtemperatur zu erzeugen. Seit längerer Zeit ist Stand der Technik, dass sich Heizungsanlagen an die Außentemperatur anpassen können⁸. Wenn also die Außentemperatur sinkt, wird auch der Wärmeverlust beheizter Räume größer. Um jedoch die gleiche Wärme im Raum zu halten, wird die Temperatur der Heizung automatisch erhöht. Eine Statistikfunktion bietet zusätzlich die Möglichkeit, den Energiebedarf für einen bestimmten Zeitraum (z.B. für ein Jahr) anzuzeigen, sodass man das Management anpassen kann und gewisse Abläufe optimiert. All diese Features bieten eine sehr gute Möglichkeit zum Energiesparen.

Durch intelligentes und selbstständiges Regeln der Heizung kann bereits 14% bis 26% der Heizungsenergie reduzieren. Die Energiespareffizienz hängt vor allem von der gewählten Komforteinstellung, den gewählten Raumlufttemperaturen und der Anwesenheitszeit ab. Alleine durch die Abwesenheitserkennung ist ein Einsparpotential bis zu 24% Heizenergie möglich. Wenn das Energiemanagementsystem mit dem Internet verbunden ist, besteht zudem noch die Möglichkeit, das System mit einer Wettervorhersage zu koppeln. Die dadurch gesteuerte Abschaltung der Heizung bei warmen Wetter kann eine zusätzliche Energieeinsparung von bis zu 7% bewirken. Dieser Wert ist u.a. abhängig von den Fenstergrößen. Je größer diese sind, umso höher ist die Einsparung⁹.

Forschern aus dem Fraunhofer Institut ist es gelungen, eine Scheibe zu konstruieren, welche innerhalb weniger Sekunden durch Spannungswechsel die Farbe aufhellen bzw. verdunkeln kann¹⁰. Zur Energiekostenminimierung kombiniert man diese Scheiben mit der Heizungsanlage, um bei warmen Wetter die Fenster abzudunkeln, damit der Raum nicht zu warm wird und bei kaltem aber sonnigem Wetter die Fenster aufzuhellen. Somit wird die gewünschte Raumtemperatur erreicht.

Im folgenden Diagramm wird die Kostenersparnis bei 20% für einen fünf Personenhaushalt in einem Einfamilienhaus dargestellt:

Typische Haushaltsdaten bei Wärmepumpen¹¹:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Ein Heizungssystem Starter-Kit im mittleren Preissegment kostet ca. 350€ (Stand 06.06.2017).¹²

In 1-2 Jahren hat sich die Investition amortisiert.

2.2 Komfort

Viele Smart Devices im Handel bieten dem Hauseigentümer vor allem Komfort. Eine Garagentür, die sich automatisch öffnet, wenn der Benutzer 100 Meter von seinem Grundstück entfernt ist, sodass er ohne zu Warten gleich hineinfahren kann, ist ein Vorteil. Ein weiterer sind Rollläden, welche anhand der Tageszeit und des Wetters gesteuert werden. Ist beispielsweise ein sehr heißes Wetter, schließen sich die Jalousien, damit es im Haus kühler bleibt und die Klimaanlage nicht in Betrieb genommen werden muss und somit gleichzeitig Energie gespart werden kann. Zudem ist auch eine manuelle Steuerung (z.B. per App oder Fernbedienung) möglich.

Der Benutzer kann auch andere Geräte miteinander vernetzen, um bei seiner Ankunft die gewünschten Zustände vorzufinden. Er kann z.B. die Fenster eine halbe Stunde vor seiner Ankunft zum Lüften öffnen oder wie in 3.1.2 beschrieben die Heizung regulieren, um die jeweiligen Raumtemperaturen zu erlangen. Auch ein vernetzter Staubsauger kann das Haus zu einer bestimmten Uhrzeit von selbstständig reinigen. Bei diesem Haushaltsgerät wäre es auch sinnvoll, wenn der intelligente Stromzähler diesen zu Zeiten aktiviert, in welchen die Strompreise niedrig sind oder die eigene Photovoltaik-Anlage gerade sehr viel Strom liefert.

Auch gesteuerte LED-Leisten vermitteln dem Benutzer ein gewisses Luxusgefühl. Das Smart Meter identifiziert anhand des Stromverbrauchs vom Fernseher und einem Datenbankabgleich den Film, den der Anwender gerade sieht. Anhand der unterschiedlichen Helligkeitswerte zu bestimmten Zeiten des Films kann der Stromverbrauch ermittelt werden. Hellere Szenen verbrauchen mehr Strom als dunklere Szenen des Films. Da ein Wechsel von einer hellen in eine dunkle Umgebung auch das Ausschalten einer Lampe sein könnte, wird durch einen Algorithmus ermittelt, ob die Stromschwankung, die durch die Helligkeitsänderung entsteht, vom Fernseher oder von einem anderen Haushaltsgerät ausgeht¹³.

Dieser Film kann dann einem bestimmten Genre zugeteilt werden. Der Benutzer könnte dementsprechend für jedes Genre eine bestimmte Hintergrundbeleuchtung auswählen.

Im Kino „Mathäser“ in München wurde 2017 in einem Saal ein Lichtsystem installiert, welches für den jeweils abgespielten Film ein eigenes Lichtschauspiel besitzt¹⁴. Es wäre daher technisch möglich, sogar für jeden einzelnen Film eine eigene Lichtchoreografie zu hinterlegen, die der Anwender dann für seinen Film abrufen kann.

Auch technische Assistenten wie Amazon Alexa, Google Home oder Apple HomeKit ermöglichen verschiedene Annehmlichkeiten. Der Anwender kann mit diesen Geräten über installierte Mikrofone kommunizieren und bestimmte Funktionen über seine Stimme lenken. Anwendungen dafür können das Starten von Musik oder das Managen der Raumtemperatur sein.

Eine weitere Schnittstelle zwischen Mensch und Gerät kann z.B. auch ein vernetzter Fernseher sein, welcher mit einem Mikrofon oder einer Kamera ausgestattet ist. Dieser kann dann Gesten und Sprachbefehle verarbeiten und die verschiedenen Geräte steuern. Für diese Zwecke muss der Fernseher aber fast immer eingeschaltet sein, was einen nicht unbeträchtlichen Stromverbrauch nach sich zieht. Eine weitere Verbindungsstelle könnte auch ein Rechner sein, welcher nur sehr wenig Strom verbraucht, wie der Raspberry Pi oder ähnliche Mini-Computer. Zu diesen Rechnern können kostengünstige Module wie ein Touchpad oder eine Kamera hinzugefügt werden, welche die Bedienung vereinfachen. Da diese Computer aber nicht für hohe Leistung ausgelegt sind, kann es bei manchen Operationen zu Performanceproblemen kommen.

[...]

¹ vgl. Statista.de - Smart Home Deutschland

² Gabler Wirtschaftslexikon - Stichwort: Smart Devices, Version9

³ vgl. statista.de – Versprochener Nutzen von Smart Home in Deutschland

⁴ vgl. verbraucherzentrale.de - Erste Strom-­Kunden müssen den Einbau von Smart-­Meter -Geräten zahlen (07.12.2016)

⁵ Greveler, Justus, Löhr - Identifikation von Videoinhalten uber granulare Stromverbrauchsdaten (2012)

⁶ Greveler - Smart Grid: Chancen und Risiken für Verbraucher (2016)

⁷ Greveler, Justus, Löhr - Hintergrund und experimentelle Ergebnisse zum Thema „Smart Meter und Datenschutz“ (2011)

⁸ Alexander Roßnagel - Datenschutzrecht 2016 „Smart“ genug für die Zukunft? (2016)

⁹ Matthias Kersken - Simulationsstudie zum Energiesparpotential einer Heizungsregelung mit Abwesenheitserkennung und Wetterprognose (2013)

¹⁰ vgl. iap.fraunhofer.de - Selbstabdunkelnde Fensterscheiben in großer Farbvielfalt (01.02.2017)

¹¹ vgl. heizspiegel.de – die Vergleichswerte des Heizspiegels fuer Deutschland

¹² vgl. Amazon.de - tado° Smartes Thermostat Starter Kit für Einfamilienhäuser mit eigener Heizungsanlage (v3)

¹³ Greveler, Justus, Löhr -Identifikation von Videoinhalten uber granulare Stromverbrauchsdaten (2012)

¹⁴ vgl. Mbeam.de - raumfüllendes, dynamisches ambient light System für das MK6, Mathäser Filmpalast, München (2017)