Energy und Infrastructure: Datenintegration ist der Goldstandard für die Sektorenkopplung

Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien verändert sich der Kraftwerkspark für die Energieerzeugung. Das hat direkten Einfluss auf die Infrastruktur für Verteilung, Netzstabilität und Versorgungssicherheit.

Mussten die Netzbetreiber im Jahr 2000 nur 30.000 Stromerzeuger mit Bio-, Solar- und Windkraft in ihre Netze integrieren, stieg deren Anzahl bis 2018 auf über 1,6 Millionen Anlagen. Mit der Sektorenkopplung kommen nun Millionen weiterer Akteure beziehungsweise Anlagen hinzu, die sowohl als Abnehmer als auch Einspeiser (Prosumer) am Netz teilnehmen. Hinzu kommen dezentrale Anlagen für die direkte Speicherung; vermutlich sogar jede Autobatterie, die sich als netzdienlich meldet. Diese werden ergänzt durch Anlagen für die Umwandlung von Strom in Wasserstoff (Power-to-Liquid), in Methan (Power-to-Gas) und Wärme (Power-to-Heat).

Wenn 2040 die Windkraft On- und Offshore ausgebaut, nur auf jedem zweiten Hausdach in Deutschland eine PV-Anlage steht, die Hälfte der Pkw und Lkw elektrisch fahren und dezentrale Speicher- und Umwandlungsanlagen netzdienlich integriert sind, könnten 100 Millionen „Akteure“ das Gesamtenergiesystem (GES) für Strom, Kälte und Wärme bilden. Für die Netzstabilität, Versorgungssicherheit und die Leistungsbilanz müssen Energieerzeugung und Infrastruktur für Speicherung und Verteilung ihre Daten in Echtzeit miteinander austauschen.

50 Hertz mit 100 Millionen Datensätzen im Minutentakt managen

Mit der Sektorenkopplung entsteht eine Komplexität des Datenaustausches, die jede bisher bekannte Datenverarbeitungsaufgabe übersteigt. Jeder Akteur muss durch Sensoren erhobene Zustandsdaten in Echtzeit im Netz bekanntgeben. Er muss die Auswirkungen der Wettervorhersage auf seine Stromerzeugung verarbeiten und daraus Prognosedaten ableiten und im Netz melden. Für die Aufrechterhaltung einer konstanten Netzfrequenz von 50 Hertz brauchen die Netzbetreiber zudem Prognosen über den Energiebedarf. Dafür müssen künftig auch die Power-to-X-Anlagen ihren Bedarf melden, um beispielsweise nachfrageorientiert Wasserstoff zu erzeugen oder zur Stromeinspeisung wieder umwandeln.

Die Aushandlung von Angebot und Nachfrage im GES der Zukunft muss mit dieser Datenmenge sowohl dezentral als auch übergeordnet im nationalen Stromnetz stattfinden. Für die Regelung des GES muss aber auch ein Rückkanal über Aktoren zu den Akteuren bestehen. Und es bedarf übergeordneter Regeln, die Prioritäten, beispielsweise über Bezugs- und Einspeiserechte, gesetzt werden. Ohne einen solchen Datenfluss, die Auswertung und Entscheidungsbefugnisse ist das GES der Zukunft nicht interoperabel. Es ist nicht automatisierbar und damit auch nicht regel- und steuerbar.

Daten und die Informationsweitergabe bilden also das Rückgrat für die Sektorenkopplung. Die bisherigen praktikabel entstandenen digitalen Insellösungen reichen dann nicht aus.

Sektorenkopplung: Erneuerbare Energien werden grundlastfähig

Der Umbau der Energiemärkte auf Erneuerbare Energien stellt weitreichende Anforderung an alle Marktteilnehmer. Eine klimaneutrale Gesellschaft und Wirtschaft brauchen für Energieerzeugung und -verteilung sowie Nachfragesteuerung und Speicherung neue Konzepte und Strategien. Diese müssen Netzstabilität und hohe Verfügbarkeit bei gleichzeitiger Versorgungssicherheit garantieren. Ein Schlüssel dafür liegt in der Sektorenkopplung. Technische Lösungen dafür bieten die Verwaltungsschale und Smart Standards, die zusammen von DKE und DIN erarbeitet werden.

Schon heute sorgen solche digitalen Insellösungen für einen teilautomatisierten Informationsaustausch zwischen den Akteuren der Energieerzeugung und der Infrastruktur.

Das „Smart Grid Architecture Model“ (SGAM) unterstützt Netzbetreiber und Erzeuger erneuerbarer Energien dabei, das schwankende Stromangebot aus PV- und Windkraftanlagen und den Strombedarf in eine Balance bringen. Es löst damit die bisherige verbrauchsorientierte Stromerzeugung ab und befähigt die Akteure, einen erzeugungsoptimierten Verbrauch zu realisieren.

Die Grundlagen des SGAM sind in der Normenreihe IEC 61850 definiert. Auf der technischen Basis des Internetprotokolls (TCP/IP) und der Manufacturing Messaging Specification definiert der Normteil IEC 61850-8 eine klassische Client-Server-Kommunikation. Ergänzend stellen zwei Peer-to-Peer-Dienste eine Echtzeit-Kommunikation zwischen den Akteuren in einem Stromnetz sicher.

Über ein Smart Meter Gateway (SMGW) erfolgt die Steuerung am Netzanschlusspunkt beim Endkunden. Im Zentrum stehen hier bereits der bidirektionale Datenaustausch und die Interoperabilität zwischen den technischen Instanzen.

VDE FNN Steuerbox balanciert Angebot und Nachfrage

Für ein digitales Erzeugungs- und Lastmanagement und damit eine steuerbare Interoperabilität entwickelte das Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (VDE FNN) ein standardisiertes Steuer- und Schaltmodul.

Die FNN Steuerbox wird in das intelligente Messsystem eingebunden und ermöglicht die Regelung von Erzeugungsanlagen und Stromverbraucher (Lasten). Je nach Angebot und Nachfrage lassen sich so Lasten und Einspeisemengen individuell regeln. Dadurch wachsen Smart Metering, Smart Grid und Smart Market zusammen.

Erzeugungsanlagen, wie Photovoltaik oder Kraft-Wärme-Kopplung, lassen sich mit typischen Lasten, wie Nachtspeicherheizungen, Wärmepumpen oder Elektroautos sowie Speichersystemen, so ausbalancieren, dass auch bei schwankender Produktion der erneuerbaren Energien immer ein ausreichendes Stromangebot trotz der Regeln des erzeugungsoptimierten Verbrauchs aufrechterhalten wird. Dabei helfen wiederum Normen für das Leistungs- und Energiemanagement und der Ladeinfrastruktur.

Normen für Smart Home und Energiemanagement

Das intelligente Zusammenspiel von Erzeugung und Nutzung von Energie erfordert, dass Energieversorger, Automobilkonzerne, Heizungshersteller und Wechselrichterhersteller sowie IT-Lieferanten zusammenarbeiten.

Für den Datenaustausch zwischen Erzeugungsanlagen und dem Stromnetz beschreibt die Normreihe VDE-AR-E-2829 deshalb Anwendungsregeln. Sie basieren auf einer standardbasierten Sprache für Energie, die die Anschlussmöglichkeiten verschiedener Kommunikationsprotokolle sowohl auf Netz- als auch auf Geräteebene sichert. Damit sind die Netzbetreiber in der Lage, künftig bei jedem Haushalt eine Leistungs- oder Einspeiselimitierung vorzunehmen, wenn es die Netzstabilität erforderlich macht. Die VDE Anwendungsregel trägt dem Erneuerbare Energie Gesetz (EEG) sowie §14 a des Energiewirtschaftsgesetzes (EnWG) „Steuerbare Verbrauchseinrichtungen in Niederspannung“ Rechnung.

Norm für Smart Home mit Ladetechnik für Elektrofahrzeuge

Für ein lokales Leistungs- und Energiemanagement im Zusammenspiel mit einer Ladestation für Elektrofahrzeuge beschreibt VDE-AR-E 2122-1000 eine Standardschnittstelle. Sie beinhaltet die notwendigen Informationen für das Energiemanagement und wird künftig auch bidirektionales Laden regeln. Damit sind auf der Ebene Energieerzeugung und Infrastruktur zahlreiche Herausforderung für den Datenaustausch in einem Smart Grid, Smart Home und einer lokalen Ladestation geregelt.

Für die Ziele der Sektorenkopplung und den Informationsaustausch innerhalb der fünf Sektoren (Energy, Infrastruktur, Gebäude, Mobility und Industrie) aber fehlen dennoch gemeinsame Datenmodelle sowie eine Digitalisierung der Normen für eine automatische Interoperabilität aller Akteure.

Bidirektionales Laden: Energiewende mit E-Fahrzeug-Akkus ermöglichen

Einer Überproduktion von erneuerbarer Energie an sonnen- und windreichen Tagen steht eine Unterversorgung des Energienetzes mit Erneuerbaren Energien an bewölkten und windstillen Tagen entgegen. Die Technologie des bidirektionalen Ladens könnte eine Möglichkeit sein, dieses Problem partiell zu lösen und für Stabilität im Stromnetz zu sorgen.

Genau diese sektorenübergreifende Interoperabilität für den automatischen Informationsaustausch zwischen allen Akteuren (Anlagen) über ihre jeweiligen Normenreihen hinweg könnten künftig zwei aktuelle Entwicklungen von VDE, DKE und DIN leisten: SMART Standards und die Verwaltungsschale.

SMART Standards ist ein Konzept für die Digitalisierung von Normen für die Anwenderebene. Sie sollen künftig in einem digitalen Ökosystem alle relevanten Informationen über sich in passender Weise und Umfang für die Anwendung durch andere Akteure oder ihre digitalen Systeme bereitstellen. Sie sollen „sowohl von Menschen als auch von Maschinen initiiert, erstellt, aufbereitet, umgesetzt und angepasst werden“, hat die IDiS (Initiative Digitale Standards) diesen künftigen Normenstandard definiert.

Mit dieser Zielvorstellung denken die IDiS-Expert*innen die Normen der Zukunft als digital handelnde Akteure, die Prozesse mitgestalten und für eine sichere Interpretation und Anwendung auch im Umgang mit anderen Normen sorgen sollen.

Verwaltungsschale revolutioniert Datenaustausch

Mit der Verwaltungsschale besteht des Weiteren eine Technologie, in die SMART Standards als Teilmodell integriert werden sollen. Die Verwaltungsschale ist ein herstellerübergreifender und branchenneutraler Standard für die Bereitstellung von Informationen und die Kommunikation in einheitlicher Sprache. Jedes „Ding“ im „Internet der Dinge“ erhält eine eigene Verwaltungsschale.

Die Verwaltungsschale funktioniert so ähnlich wie ein Personaldokument oder ein digitales Typenschild. Sie basiert auf dem Modell des Digitalen Zwillings, das in der Plattform Industrie 4.0 erarbeitet wurde. Die Verwaltungsschale ist ein Schichten- und Koordinatensystem und enthält Informationen über ein „Ding“. Neben Informationen bietet die Verwaltungsschale auch eine Anwendung zur Aufzeichnung und Kommunikation.

Sie wurde international in der IEC 61360 genormt. In der Verwaltungsschale liegen – abhängig vom Produkt – in den verschiedenen Schichten Teilmodelle. Diese Teilmodelle enthalten Eigenschaften und Fähigkeiten einer Anlage oder Maschine sowie abhängig vom Geschäftsmodell Anweisungen und Dateien (Bedienungsanleitung, Bauplan, Entsorgungsvorschriften) in einem festgelegten Schema.

SMART Standards sollen künftig im „Teilmodell Norm“ ihre feingranulierten Daten über standardisierte Datenmodelle für die Anwender bereitstellen.

Verwaltungsschale als Rückgrat der Industrie 4.0 und des Digitalen Zwillings

Die Verwaltungsschale ist ein branchenneutraler Standard, der es ermöglicht, dass „Assets“ auf der gesamten Welt miteinander kommunizieren können. Neben Produktivität, Effizienz und Transparenz liefert sie vor allem auch im Hinblick auf Umwelt und Klimaschutz einen wertvollen Beitrag.

Was zwischen Energieerzeugung und Infrastruktur mit Smart Grid, Smart Home und Ladetechnik bereits durch Schnittstellen und Normen als Insellösung gelingt, wird mit der Sektorenkopplung auf den Wärmemarkt ausgeweitet.

Die unzähligen Photovoltaik- und Windkraftanlagen, die Speicher und Umwandlungssysteme (Power-to-X) sowie die Elektromobilität lassen die Anzahl der Akteure, die miteinander und nicht gegeneinander handeln müssen, auf unvorstellbare Dimensionen anwachsen. Für einen automatischen und sicheren Informationsaustausch sind mit der Verwaltungsschale und SMART Standards die Basistechnologien vorhanden. Angewandt auf die Normenreihen der fünf Sektoren werden diese Normen als digitale Akteure miteinander sprachfähig. Darauf wiederum könnten Geschäftsmodelle wie Leistungsbilanzierung und Abrechnung aufsetzen, die weitgehend automatisiert ablaufen dürften.

Für nahtlos digitale Prozesse müssen die digitalen Normen allerdings feingranulare Datenmodelle bereitstellen, die andere Akteure auf ihrer Anwendungsebene verarbeiten können. Es ist eine Herausforderung, vor der Informatiker und Computertechniker schon öfter standen.

Eine Parallele aus der Entwicklung des PCs hilft beim Verständnis, wie SMART Standards künftig ihre Potenziale für die Verwirklichung der nahtlos digitalen und automatisierten Steuerung zwischen Energieerzeugung und Infrastruktur entfalten könnten.

Bei den ersten 286er Rechnern Ende der achtziger Jahre brauchten Anwender*innen Hard- und Softwarekenntnisse, wenn sie einen Drucker anschließen oder eine Sound- oder Grafikkarte nachrüsten wollten. Auf der Hardwareebene mussten sie entweder auf dem Motherboard oder der Karte die sogenannten „Interupts“ richtig setzen. Erst die gemäß Handbuch korrekt verbundenen Kontakte stellten eine Kommunikation der Komponenten her.

Sodann musste die Nutzer*innen auf Betriebssystemebene die Software von oft mehreren Datenträgern (3,25 Zoll Disketten) installieren und sie in manchen Fällen noch im BIOS, der untersten Betriebssystemebene der Hardware, anmelden. Das war eine abendfüllende Herausforderung, an der viele Anwender*innen und selbst Profis verzweifelten.

Plug & Play beschleunigt Konfiguration

Das änderte sich Mitte der neunziger Jahre. Windows 95 enthielt erstmal das Plug-and-Play-Protokoll (PnP). Das Protokoll ermöglichte eine Autokonfiguration der zugesteckten Karten und machte manuelle Eingriffe in die Hardwarekonfiguration überflüssig. Einige Jahre später nahm man diese Idee wieder auf, erweiterte sie jedoch aus dem Computer auf das lokale Netzwerk, genannt „Universal Plug and Play“ (UPnP). Eine Installation eines Netzwerkdruckers wurde damit per Autokonfiguration automatisiert.

UPnP basiert auf standardisierten Netzwerkprotokollen und Datenformaten und ermöglicht es Rechnern, Netzwerkressourcen wie Drucker, automatisch zu erkennen. Fehlt die entsprechende Software, wird sie automatisch über das Internet nachgeladen und installiert. Der Benutzer muss lediglich ein paar Mal seine Einwilligung per Mausklick bestätigen. Heute ist das eine Sache von Minuten.

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Diese Idee des Plug and Play wurde weiter auf das Internet ausgeweitet, um beispielsweise Web-Services nach Bedarf zusammen zu stellen und nannte es Universal Description, Discovery and Integration (UDDI). Die Idee der Autokonfiguration wurde also von lokal begrenztem Umfeld (PC) über das lokale Netzwerk (LAN) bis zum Internet hochskaliert. Normen waren auf dem Weg unerlässlich, um die immer größere Komplexität zu beherrschen.

Um die zukünftigen Komplexitäten in der „All Electric Society“ sowie der Sektorenkopplung beherrschen zu können, sind SMART Standards notwendig. Sie führen die Idee des „Plug & Play“ konsequent weiter und auf eine qualitativ wie quantitativ völlig neue Ebene.

Elektrotechnische Normen, solche der Energiewirtschaft und der IT, müssen an der Weiterentwicklung ihrer Normenreihen und gemeinsamen Datenmodellen zum Informationsaustausch zusammenarbeiten. Nur so gelingt die Datenintegration von 100 Millionen Datensätze im Minutentakt. Denn Datenintegration ist der Goldstandard, wenn die Sektorenkopplung in den Bereichen Energy und Infrastructure gelingen soll.

In der alltäglichen und gesellschaftlichen Diskussion ist sie ein ebenso großes Thema wie in der DKE – die Rede ist von der Energie. Unsere Normungsexperten bringen ihr Wissen aber nicht nur ein, um die Energieversorgung und -verteilung zukünftig „smart“ und dezentral zu machen, sondern leisten einen ebenso hohen Beitrag für den Betrieb elektrischer Anlagen und bei der flächendeckenden Verbreitung erneuerbarer Energien. Weitere Inhalte zu diesem Fachgebiet finden Sie im