Wandel des Energiesektors: Smart Meter als IT-basierte Unterstützung für Nachhaltigkeit und Klimaschutz
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Wandel des Energiesektors: Smart Meter als IT-basierte
Unterstützung für Nachhaltigkeit und Klimaschutz
Nikolai Jacyn1, Sascha Böhning2
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wird mittels Literaturrecherche untersucht inwieweit das IT-
Anwendungsszenario in Form eines Smart Meter Systems bei der Reduktion der CO2-Emmision
förderlich sein kann und so eines der Nachhaltigkeitsziele der Bundesrepublik Deutschland
unterstützt. Des Weiteren werden die Vor- und Nachteile des Smart Meters beleuchtet und auf die
Gefahren des Datentransfers hingewiesen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Smart Meter eine
wichtige Komponente des dezentralen Energienetzes bildet und damit indirekt das Potential zum
Einsparen der CO2 Emission besitzt.
Keywords: Smart Grid, Smart Meter, Smart Meter-Gateway, Smart Meter Rollout, Lastenspitze,
Energiewende, Dezentralisierung der Energieverteilung, Effiziente Energieverteilung, E-Energy
1
Institution/Universität Hamburg, Nikolai.Jacyn@Studium.uni-hamburg.de,
2
Institution/Universität Hamburg, Sascha.Boehning@Studium.uni-hamburg.de
2 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning
Inhalt
1 Einleitung .................................................................................................................. 3
1.1 Maßnahmen zum Klimaschutz .......................................................................... 3
1.2 Thematische Eingrenzung ................................................................................. 4
1.3 Effiziente Energieverwaltung mit Hilfe des Smart-Meters ............................... 7
1.4 Methodisches Vorgehen und Aufbau der Arbeit ............................................... 7
2 Theoretische Grundlagen .......................................................................................... 9
2.1 Informations- und Kommunikationstechnik ..................................................... 9
2.2 Smart Meter .................................................................................................... 10
2.3 Smart Meter Gateway ..................................................................................... 11
2.4 Smart Grid ....................................................................................................... 13
2.5 Smart Meter Rollout........................................................................................ 14
2.6 Datenschutz und Datensicherheit .................................................................... 15
2.7 Schutzprofil ..................................................................................................... 17
2.8 Sensibilisierung des Endverbrauchers für den eigenen Strombedarf .............. 17
2.9 Wertschöpfungskette ....................................................................................... 18
2.10 Entwicklung der Energiewirtschaft ................................................................. 20
2.11 Virtuelles Kraftwerk ....................................................................................... 22
2.12 Laststeuerung .................................................................................................. 23
3 Methodik ................................................................................................................. 24
4 Ergebnisdiskussion ................................................................................................. 26
5 Schlussfolgerung ..................................................................................................... 32
5.1 Zusammenfassung ........................................................................................... 32
5.2 Kritische Würdigung und Limitationen der Arbeit ......................................... 33
5.3 Ausblick .......................................................................................................... 33
Literatur .......................................................................................................................... 33Smart-Meter 3 1 Einleitung 1.1 Maßnahmen zum Klimaschutz Die Ziele der Agenda für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen aus dem Jahre 2021 beinhalten unter anderem die Maßnahmen zum Klimaschutz. Die immer weiter steigenden Treibhausgasemissionen und die damit einhergehende Erderwärmung, erreichte 2020 mit dem globalen durchschnittlichen CO2-Stoffmenngenanteil von mehr als 410ppm ihren neuen Höchststand [Ve21]. Darüber hinaus war die globale Durchschnittstemperatur 1,2 °C über dem vorindustriellen Niveau (1850-1900) und zusätzlich war 2020 eines der drei wärmsten Jahre seit Wetteraufzeichnung [Ve21]. Bei der Klimakonferenz von Paris im Jahre 2015 wurde das Pariser Abkommen beschlossen, unter anderem mit dem Ziel bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen [Ve21]. Diese Seminararbeit legt den Fokus auf den deutschen Beitrag zum Klimaschutz. Hier wurde für das Jahr 2020 eine zulässige Jahresemissionsmenge von 813 Millionen Tonnen CO2 durch das Bundes-Klimaschutzgesetz (KSG) in Anlage 2 zu §4 festgelegt [Bu21f]. Die Zielvorgabe wurde eingehalten, es wurden rund 739 Millionen Tonnen Treibhausgase emittiert und somit sank die Treibhausgas-Emission um 8,7% im Vergleich zum Vorjahr [Bu21g]. Vor allem die Energiewirtschaft konnte dazu einen erheblichen Beitrag leisten. Der Energiesektor hatte die größte zulässige Jahresemissionsmenge von 280 Millionen Tonnen CO2 für das Jahr 2020 [Bu21f], laut Umweltbundesamt hat dieser lediglich 221 Millionen Tonnen CO2 emittiert [Bu21g]. Der Energiesektor hat gegenwärtig immer noch die höchste CO 2 Jahresemissionsmenge siehe Abbildung 1 und damit das größte Einsparungspotenzial, außerdem befindet sich der Energiesektor in einer digitalen Transformation und einer immer weiter zunehmenden Dezentralisierung [Pu21a]. Im weiteren Verlauf der Seminararbeit soll überprüft werden, ob es möglich ist durch den Smart Meter das Umweltschutzziel der Bundesrepublik Deutschland innerhalb des Energiesektors zu unterstützen
4 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning
Abbildung 1 Zulässige Jahresemissionsmenge in 2020 Vgl. [Bu21g]
1.2 Thematische Eingrenzung
Die Digitalisierung der Energiewirtschaft kann in vier große Sektoren unterteilt werden.
Diese Sektoren setzen sich aus Smart Metering, Smart Grid, Smart mobility und
Mehrwertdienste zusammen, siehe Abbildung 2. Diese Seminararbeit legt den Fokus auf
Smart Metering sowie Smart Grid. Diese Themen werden in dem zweiten Kapitel
behandelt. Im Folgenden wird kurz auf die Themen Smart Mobility und Blockchain
eingegangen.Smart-Meter 5 Abbildung 2 Einteilung der Bereiche nach der Digitalisierung des Energiesektors Vgl. [Er19] Der Ursprung der Energiewende liegt vor allem daran, dass fossile Ressourcen zum einen nur begrenzt zur Verfügung stehen und zum anderen die Umweltbelastung nicht nur die Gesundheit der Menschen schädigen, sondern auch für Waldsterben verantwortlich sind [Go21]. Die Energiewende beschreibt den Strukturwandel des Energiesektors mit dem Ziel energiebedingte CO2 Energieerzeugung zu minimieren oder ganz zu vermeiden und dafür auf erneuerbare Energien umzusteigen [Gö21]. Um den Anforderungen der Energiewende gerecht zu werden, schreitet die Digitalisierung und der Ausbau damit verbundener Informationstechnik immer weiter fort [KKS21]. Ein Sektor, in dem der Wandel im Energiesektor deutlich wird, ist die Mobilität. Die Verbreitung elektrisch angetriebenen Personenkraftfahrzeuge schreitet laut Statista immer weiter voran. Während im Jahr 2019 ca. 63.000 Elektroautos in Deutschland zugelassen wurden, wurden im Jahr 2020 fast 200.000 und im Jahr 2021 über 300.000 Neuzulassungen erfasst [St21a]. Dieses Wachstum bringt zum einem die Problematik des erhöhten Energiebedarfs mit sich und zum anderen muss der Ausbau von Ladesäulen stattfinden. Des Weiteren stellt sich die Frage, ob der erhöhte Strombedarf durch erneuerbare Energien bewerkstelligen lässt und wenn nicht ob Elektroautos, dann immer
6 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning noch weniger umweltschädlich sind. Außerdem stellt sich die Frage, ob sich durch einen gut ausgebauten Nahverkehr die CO2 Reduktion maximieren lässt. Gerade hier ist das Potential der Informationstechnik sehr groß. Verspätungen und Ausfälle werden i.d.R. trotz Fahrplan Applikation erst sehr spät oder gar nicht transparent. Die Blockchain-Technologie ist ursprünglich aus der Entwicklung der digitalen Kryptowährung Bitcoin entstanden. Bitcoin ermöglichte erstmals ein dezentrales digitales Zahlungsnetzwerk zwischen Privatpersonen ohne eine vermittelnde Zwischeninstanz, dass zugleich autonom und transparent ist. Eine so genannte Peer to Peer Transaktion. Der Begriff Blockchain ist auf diese Entwicklung zurückzuführen und beschreibt das technische Konzept, Daten und Transaktionen dezentral auf verschiedene Nutzer zu übertragen mit Hilfe kryptografischer Methoden [ZH18, GJ20]. Ein wesentlicher Vorteil der Blockchain für die Energiewirtschaft könnten die Smart Contracts werden, welche im Deutschen intelligenter Vertrag heißen. Diese digitalen Verträge basieren auf Computerprotokollen und der Blockchain Technologie. Diese erlauben es eine autonome Transaktion von beteiligten Parteien durchzuführen, die auf vorher bestimmten Bedingungen basiert, welche im Algorithmus codiert sind. Sowohl die Abwicklung als auch die Überprüfung der Transaktionen kann Bedingungen enthalten. Mit Hilfe der Smart Contracts könnte zwischen dem Energieproduzenten und dem Stromverbraucher eine völlig automatische und gesicherte Transaktion von Bezahlung und Versorgung stattfinden [SS16]. Es gibt mehrere mögliche Anwendungsszenarien der Blockchain Technologie im Energiesektor, in der folgenden Aufzählung werden ein paar Möglichkeiten genannt [GJ20]: • Peer to Peer Energiehandel • Zahlungsabwicklung • Anlagenvernetzung • Emissionshandel • Netzengpassmanagement Wir haben in der Seminararbeit den Fokus auf das Smart Meter System gelegt, weil dieses den Grundbaustein für eine automatisierte und effiziente Energiewirtschaft legt. Die gesamte Energiewende ist vom Stromnetz und der damit verbundenen effiziente Verteilung abhängig. Aufgrund der Hauptfunktion des Smart Meters Daten zu sammeln, lassen sich genauere Prognosen für den zukünftigen Strombedarf und damit eng zusammenhängende Stromerzeugung ermitteln.
Smart-Meter 7 1.3 Effiziente Energieverwaltung mit Hilfe des Smart-Meters In der Vergangenheit war das traditionelle Stromnetz in einem Top-Down Modell aufgebaut. Die Endverbraucher haben ihre Energie ausschließlich von den Energieverwaltern bezogen und wurden somit von wenigen Kraftwerken versorgt [Pu21a]. Hierbei wurde der Energieverbrauch eines Stromempfängers jährlich vom analogen Stromzähler abgelesen. Anhand der jährlich aggregierten Daten wurde der Energiebedarf für die zukünftigen Perioden geschätzt [Fo10]. In der Vergangenheit hat sich die Methode bewährt und die Energienetze sind für einen gleichmäßigen Energiefluss ausgelegt, aber die Energiewirtschaft ist im Wandel, dadurch dass immer mehr auf erneuerbare Energien umgerüstet wird und dass Endverbraucher auch zu Produzenten werden so genannten Prosumer, entwickelt sich die Energiewirtschaft in ein dezentrales System [Pu21a]. Um das Nachhaltigkeitsziel der Bundesrepublik Deutschlands zu erreichen, werden umweltbelastende Energiequellen, die die Umwelt zu stark belasten wie Kohlekraftwerke zunehmend abgebaut und Atomkraftwerke vollständig abgeschaltet [Ge21, Fr21b]. Ersetzt werden diese durch erneuerbare oder auch regenerative Energien, zu diesen gehören unter anderem Windkraftanlagen, Solaranlagen, Wasserkraft, Biomasse und weitere [Fr21b]. Dadurch, dass die Energieerzeugung wetterabhängig ist und sowohl große bis kleine Unternehmen als auch Privatpersonen Produzenten sein können, entsteht ein immer mehr dezentrales System, dass viele komplexe Energieverwaltungsprobleme mit sich bringt [Pu21a]. Darüber hinaus steigt der allgemeine Strombedarf sowohl von Unternehmen als auch von Privatpersonen. Auch die Automobilindustrie entwickelt sich von Verbrennungsmotoren weg zu den elektrisch angetriebenen Motoren, diese steigern den Strombedarf und zwingen zu neuen Lösungsansätzen für eine immer komplexer werdenden Energieverwaltung. Damit die Energieversorgung weiterhin effektiv verwaltet werden kann und vor allem die effiziente Energieverteilung bei Lastspitzen zu gewährleisten, müssen genauere Informationen über den Strombedarf und den zur Verfügung stehenden Stromkapazitäten ermittelt werden [Fo10]. Die Messmethode der Stromzähler wird den zukünftigen Anforderungen der dezentralen Energieverwaltung nicht gerecht werden und ein intelligentes Messsystem wie der Smart Meter könnte eine effizientere Energieverwaltung ermöglichen [Fo10]. Der Smart Meter sammelt dauerhaft Daten sowohl über den Energieverbrauch als auch über die Energieerzeugung und lässt sich aus der Distanz auslesen [Fo10]. Mit Hilfe dieser Daten können viel genauere Prognosen des Energiebedarfs und der Energieerzeugung ermittelt werden und eine effektivere Energieverwaltung wird realisierbarer. 1.4 Methodisches Vorgehen und Aufbau der Arbeit Zur Beantwortung der Forschungsfrage, ob das Smart Meter System das Umweltschutzziel der Bundesrepublik Deutschland innerhalb des Energiesektor unterstützen kann, wurde eine qualitative und quantitative Literaturanalyse durchgeführt. Hierbei wurde der Fokus auf die Verwendung des Smart Meters innerhalb Deutschlands gesetzt, in der Ergebnisdiskussion wurden vergleiche zu anderen europäischen Ländern gezogen.
8 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning Für den theoretischen Hintergrund wurde in Kapitel 2.1 die Informations- und Kommunikationstechnik definiert und daraus resultierende Möglichkeiten für den Energiesektor erläutert. In Kapitel 2.2 wurde das Grundverständnis für ein Smart Meter System erläutert, sowie die Hauptfunktion und daraus resultierenden Grundlagen, um die Herstellung eines intelligenten Stromnetzes zu ermöglichen. Anschließend wurde in Kapitel 2.3 die notwendige Kommunikationseinheit Smart Meter Gateway für die technische Umsetzung eines intelligenten Messsystems erklärt. Dafür wurden die technischen Schnittstellen beschrieben. In Anschluss wurde in Kapitel 2.4 das Smart Grid definiert, welches aus intelligenten Technologien besteht. Darüber hinaus wurden die Ziele erläutert, um ein dezentrales Energienetz effizient zu verwalten. In Kapitel 2.5 wurde die Vorgehensweise und der Fortschritt des Smart Meter Rollouts in Deutschland thematisiert, dafür wurde die Gesetzeslage hinzugezogen und aktuelle Problematiken analysiert. Daraufhin wurde im Kapitel 2.6 das für die deutsche Bevölkerung sensible Thema Datenschutz und Datensicherheit, welches unter anderem für die Probleme im Smart Meter Rollout verantwortlich ist untersucht. Im Anschluss wurde in Kapitel 2.7 die technische Mindestanforderung für das Smart Meter Gateway als Schutzprofil definiert. In Kapitel 2.8 wurde näher auf die Sensibilisierung des Endverbrauchers für den eigenen Strombedarf eingegangen. Durch das geförderte Bewusstsein für den eigenen Energiebedarf wurde auch auf die möglichen Verhaltensänderungen zum nachhaltigen Handeln hingewiesen. Anschließend wurde in Kapitel 2.9 die Wertschöpfungskette des Energiesektors mit den einzelnen Wertschöpfungsstufen von der Energieerzeugung über den Transport bis hin zum Vertrieb erläutert. Das Kapitel 2.10 beinhaltet die moderne Entwicklung der Energiewirtschaft von den fossilen Energieträgern zu den erneuerbaren Energien und einer immer weiterwachsenden Dezentralisierung. In anschließenden Kapitel 2.11 wurde erklärt, wie sich kleine Energienetzsysteme zu einem Virtuellen Kraftwerk zusammensetzen, um ein effektives Energiemanagement der Zukunft zu gewährleisten. In letzten Kapitel 2.12 des theoretischen Hintergrunds, wurde die Notwendigkeit der Laststeuerung durch das Lastmanagement erklärt, dabei wurden die zwei unterschiedliche Strategien Demand Side Response und Demand Side Management erläutert.
Smart-Meter 9 Im Anschluss an den theoretischen Hintergrund folgt die Diskussion und damit die Beantwortung der Forschungsfrage, ob der Smart Meter bei der Erfüllung der Umweltschutzziele behilflich sein kann. Am Ende der Seminararbeit befindet sich eine ausführliche Zusammenfassung, sowie eine kritische Würdigung und eine Limitation der Arbeit, als auch ein Ausblick zur weiteren Forschung. 2 Theoretische Grundlagen 2.1 Informations- und Kommunikationstechnik Der Begriff Informations- und Kommunikationstechnologie beinhaltet die technische Hardware, Netzwerkhardware und die Software. Diese Komponenten ermöglichen gemeinsam eine digitale Verarbeitung, Speicherung und Übertragung von Informationen [Kr15]. In der E-Energy steht die Informations- und Kommunikationstechnik für das Verwenden von Technik, die genutzt wird, um die einzelnen Komponenten des Smart Grids wie Stromnetze, Kraftwerke, dezentrale Erzeuger, Privatverbraucher, Transformatoren, Speicher und Stromhändler zu vernetzen sowie einen digitalen Kommunikationsaustausch zu realisieren. Dadurch können die Energienetzteilnehmer wichtige Informationen untereinander austauschen. Es befähigt die Energieversorger variable und dynamische Tarife anbieten zu können, Informationen im Niederspannungsnetz über den Stromfluss sowohl Verbrauch als auch Erzeugung mit der Erlaubnis des Kunden zu erhalten und mit diesen Informationen den Verbrauch des erzeugten Stromes zu verwalten [SL 13].
10 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning
2.2 Smart Meter
Abbildung 3 Smart Meter [Ve21b]
Der Smart Meter (Abbildung 3) ist ein intelligenter Stromzähler, dieser kann sowohl den
Energieverbrauch als auch die Energieerzeugung messen, versenden, visualisieren,
analysieren und mit anderen Geräten kommunizieren. Für die Smart Grid Infrastruktur ist
der Smart Meter eine wichtige Komponente der Informations- und
Kommunikationstechnologie. Mit dem Smart Meter bekommen die Verbraucher ein
transparentes und visuelles Bild ihres aktuellen Stromflusses. Diese Daten können
gespeichert und analysiert werden. Des Weiteren können angeschlossene Verbraucher
Geräte wie Kühlschrank, Ladesäule für das elektrische Auto oder die Wärmepumpe über
den Smart Meter gesteuert werden. Außerdem ist eine Fernauslesung des
Stromverbrauches möglich. Die digitale Kommunikation des Smart Meters mit dem
Verbraucher liefert für beide Seiten Vorteile. Der Verbraucher profitiert von der Anzeige
eines aktuellen Tarifes und bekommt digital dynamische Tarifangebote und die
Energieversorger können mit Hilfe der gesammelten Daten die Energieverwaltung besser
organisieren [SL 13]. Der Smart Meter sammelt Daten über den Energieverbrauch des
Haushaltes in sehr kurzen Intervallen, somit bekommen die Verbraucher ein transparentes
Bild über ihren Stromverbrauch und können so weiterhin ihr ökologisches Bewusstsein
erweitern [We21]. Sie können ihren persönlichen Stromverbrauch analysieren und dem
entsprechend ihr Verhalten ändern.
Im Europäischen Raum hat sich der Oberbegriff Smart Meter für intelligente Messysteme
und moderne Messeinrichtung weitestgehend etabliert [HJ20]. Deutschland meidet den
Oberbegriff und bezieht sich innerhalb der Gesetzgebung ausschließlich auf moderne
Messeinrichtung oder intelligente Messsysteme [HJ20]. Moderne Messeinrichtungen sind
nicht mit intelligenten Messeinrichtungen gleichzusetzen. Die moderne Messeinrichtung
ersetzt den altherkömmlichen analogen Ferraris Zähler durch einen digitalenSmart-Meter 11
Abbildung 4 Von der modernen Messeinrichtung zum intelligenten Messsystem (Smart Meter)
Vgl. [Do20]
Energiezähler, welcher in der Lage ist Verbrauchsdaten in verschiedenen Zeitintervallen
von minütlich bis jährlich für zwei Jahre zu speichern [Do20]. Für ein intelligentes
Messsystem wird zusätzlich zu der modernen Messeinrichtung ein Smart Meter Gateway
benötigt (Abbildung 4), dieses ermöglicht die Kommunikation mit externen
Marktteilnehmern und gewährleistet damit die Abfrage von Verbrauchsdaten im
Viertelstundentakt [Do20]. Darüber hinaus ermöglicht dieses auch eine kumulierte
Abfrage in größeren Zeitintervallen [Do20]. Diese Daten sollen auch den Endverbraucher
beispielsweise mittels einer Smartphone Applikation bereitgestellt werden, um diese für
den eigenen Energieverbrauch zu sensibilisieren, sowie die Flexibilität zu steigern [Sh21].
Ein Anreiz für Flexibilität wäre eine Tarifierung in kurzen Zeitabschnitten bspw. im 2
Stunden Takt. Je näher es zu den Stoßzeiten geht umso teurer wird der Strom und
umgekehrt wird dieser immer günstiger, umso weiter man sich von den Zeiten entfernt, an
denen es zu Lastspitzen kommt. Diese Tarifierung soll den Endverbraucher dazu bringen
Geräte mit hohen Energieverbrauch in die frühen oder späten Stunden zu verlagern um
Geld zu sparen und damit das Stromnetz zu entlasten [Sh21].
2.3 Smart Meter Gateway
Die Kommunikation des Smart Meters wird technisch realisiert über das Smart Meter
Gateway, es verbindet den Verbraucher mit dem Smart Grid, und ist somit eine wichtige
Schnittstelle, welches die gesammelte Daten vom Smart Meter an den Messtellenbetreiber12 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning
Abbildung 5 Schnittstellen des Smart Meter Gateways Vgl. [Bu21a]
weiterleitet [SL 13]. Standartgemäß werden die Daten im fünfzehn Minuten Takt
gemessen, Verbraucher können sich in Echtzeit über Smartphone- oder Tablet-
Applikation einen Überblick über ihren Energieverbrauch verschaffen [Do20]. Die
angeschlossenen Geräte der Verbraucher werden technisch über das Gateway verbunden
und gesteuert, außerdem schützt das Smart Meter Gateway den Verbraucher vor digitalen
Angriffen von außen [SL 13].
Im Zentrum des Smart Meter Systems ist das Smart Meter Gateway, welches Daten über
den Energiefluss von Strom, Wasser, Wärme oder Gas in digitaler Form empfangen,
verarbeiten und Speichern kann [Ri20]. Das Smart Meter Gateway verfügt über drei
Schnittstellen, welche die Kommunikation zwischen verschiedenen Akteuren steuert,
siehe Abbildung 5 [Bu20].Smart-Meter 13
• Lokale Metrologische Netz (LMN): Über diese Schnittstelle werden die lokalen
Messeinrichtungen angeschlossen, damit Daten wie Verbrauchs-, Einspeisewerte
und Netzzustandsdaten gespeichert und verarbeitet werden können [Bu20].
• Das Weitverkehrsnetz (WAN): Ist für die Kommunikation mit externen
Marktteilnehmer, dazu gehört unter anderen der Gateway-Administrator, welcher
die Konfigurations- und Sicherheitseinstellungen vornimmt [Bu20].
• Das Heimnetz (HAN): An diese Schnittstelle kann der Endverbraucher steuerbare
Geräte wie Wärmepumpen, Photovoltaikanlagen o.ä. anschließen, um externe
Marktteilnehmer den Zugang für die Steuerungs- und Fernwartungszwecke zu
gewähren. Des Weiteren kann der Endverbraucher über das Heimnetz, Daten von
Verbrauchs- und ggf. die Einspeisungswerte erhalten [Bu20].
Bis 2021 gab es kein vom Bundesamt für Sicherheit und in der Informationstechnik
zertifiziertes Smart Meter Gateway [Bu21b]. Im März 2021 wurden die ersten zwei
Zertifikate ausgestellt und Stand 05.12.2021 gibt es vier Zertifizierte Smart Meter
Gateways und fünf weitere Unternehmen haben einen Antrag auf Zertifizierung gestellt
[Bu21b].
2.4 Smart Grid
Der Begriff „Smart Grid“, wird ins deutsche wortwörtlich „intelligentes Netz“ übersetzt,
damit ist ein intelligentes Energieversorgungssystem gemeint. Das Wort „Grid“ beschreibt
dabei das vollständige elektrische Energieversorgungssystem und das Wort Smart umfasst
die intelligente Vernetzung und Steuerung von den Energieerzeugern bis zu den
Energieverbrauchern über das gesamte Netz mit Hilfe der Informations- und
Kommunikationstechnik [SL13]. Das Smart Grid unterscheidet sich zum herkömmlichen
Stromnetz dadurch, dass im Smart Grid intelligente Technologie enthalten ist, sodass das
gesamte System vereinfacht ausgedrückt intelligenter wird. Dafür sollte es überwiegend
automatisiert Daten messen, erfassen und übertragen können [SL 13]. Das Ziel des Smart
Grids ist es eine kosteneffiziente sowie transparente Energieversorgung zu gewährleisten,
welche sowohl sicher als auch zuverlässig ist und dabei bemüht ist nachhaltig und
umweltfreundlich zu sein [Ra10].
Das herkömmliche Stromnetz muss sich dem Wandel und die fortschreitende
Dezentralisierung der Stromeinspeisung beugen und anpassen [RQ21] siehe Abbildung 6.
Regenerative Energiequellen unterliegen durch Wetterbedingungen starken
Schwankungen, zusätzlich werden auch Endverbraucher zu Produzenten in dem sie mittels
erneuerbaren Energien wie Photovoltaikanlagen oder ähnliches überschüssige Energie in
das Stromnetz einspeisen [RQ21]. Um eine effiziente Energieverteilung zu gewährleisten,
ist der Ausbau im Bereich der Verteilnetzebene nötig, um eine verbesserte informations-
und kommunikationstechnische Infrastruktur herzustellen [Dr17]. Das bestehende
Stromnetz entwickelt sich somit zu einem intelligenten Stromnetz oder auch Smart Grid,
welches mit Energie verbrauchenden und Energie erzeugenden Systemen kommuniziert14 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning
Abbildung 6 Visualisierung eines dezentralen Smart Grids Vgl. [Ke20]
[Dr17]. Demzufolge soll das Smart Grid die aktuellen Systemzustände aufzeigen und die
Möglichkeit des lokalen Eingriffs auf lokale und Überregionale Quellen bieten, um die
Versorgung von Letztverbrauchern sicherzustellen [Br15].
2.5 Smart Meter Rollout
Smart Meter Rollout ist ein Begriff der alle planerischen, ausführenden und
informationsverarbeitende Abläufe zur physischen Neuinstallation von Smart Metern,
sowie die Umrüstung bereits vorhandener analoger Messtechnik zur Erfassung des
Energiebedarfs von Strom, Wasser, Gas und Wärme zugunsten intelligenter,
elektronischer Messsysteme umfasst. Grundsätzlich gibt es zwei Rollout Strategien, zum
einem den marktgetriebenen Rollout und zum anderen den staatlich getriebenen Rollout.Smart-Meter 15 Der marktgetriebene Rollout setzt auf Unverbindlichkeit, da jeder Marktpartner selbst den richtigen Zeitpunkt für die Einführung und den temporären Fortschritt des Smart Meter Rollouts wählen kann, dagegen ist ein staatlich getriebener Rollout in der Regel mit einem verpflichtenden Plan verbunden, welcher die Einführung und die Verbreitung zeitlich begrenzt. Deutschland setzt auf die staatlich getriebene Variante in Verbindung mit einer Kosten-Nutzen-Analyse und der technischen Möglichkeit [Ai13]. In dem Gesetz zur Digitalisierung der Energiewende vom 29.08.2016 wurde beschlossen, dass die Zuständigkeit für die Umrüstung auf intelligente Messysteme bei den grundzuständigen Messtellenbetreiber liegt [Bu 16]. In Kapitel 4 des Gesetzes zur Digitalisierung der Energiewende ist im § 29 geregelt, dass die Umrüstung zuerst bei Letztverbraucher die mindestens einen Jahresstromverbrauch von 6000 Kilowattstunden und bei Anlagenbetreibern deren Leistung mindestens 7 Kilowatt beträgt erfolgen soll, unter Beachtung von § 30 technische Möglichkeit und § 31 wirtschaftlich vertretbar [Bu 16]. Unter diesen Voraussetzungen dürfen Messtellenbetreiber auch bei Anlagen, die über eine Leistung von 1 bis 7 Kilowatt verfügen und Letztverbraucher bis 6000 Kilowattstunden auf intelligente Messysteme umrüsten [Bu 16]. Die Modernisierung aller Verbrauchstellen mit einem Jahresverbrauch über 6000 Kilowattstunden soll bis zum Jahre 2032 vollzogen sein, jedoch ist die Rechtslage des Smart Meter Rollouts nicht eindeutig interpretierbar und unterliegt häufiger Änderung der Gesetzeslage [Do20]. Der Smart Meter Rollout wurde derzeit vorübergehend gestoppt. Messtellenbetreiber sind vorläufig nicht mehr dazu verpflichtet die zertifizierten Smart Meter Systeme zu verbauen, dies geht aus dem Eilbeschluss vom 04. März 2021 des Oberverwaltungsgerichts Nordrhein-Westfalen hervor, dieser hat den Vollzug der Allgemeinverfügung des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik außer Kraft gesetzt. Dies hat zufolge, dass weiterhin auch andere Messsysteme ausgebaut werden dürfen. Die Grundlage für den nicht anfechtbaren Eilbeschluss bestehen darin, dass die Allgemeinverfügung des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik vermutlich rechtswidrige sei. Zum einen hat sich das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik bei der Zertifizierung auf die Grundlage der selbst erstellten technischen Richtlinien gestützt, welche erstellt wurden, ohne die vorgeschriebenen Gremien einzubinden. Zum anderen erfüllen die technischen Richtlinien nicht einmal die gesetzlich festgelegten Mindestanforderungen des Datenaustausches. Sind die Mindestanforderungen des Datenaustausch technisch nicht erfüllbar, darf lediglich der Gesetzgeber aktiv werden [En21]. 2.6 Datenschutz und Datensicherheit Beim Thema Datenschutz und Datensicherheit muss man beide Begriffe unterscheiden können diese werden fälschlicher weise oft als Synonym verwendet. Bei der Datensicherheit stehen die Daten im Vordergrund und das Ziel ist es diese Daten technisch ausreichend zu schützen vor zum Beispiel Datenverlust oder Vieren. Beim Datenschutz geht es um das Recht einer Person auf Schutz personenbezogener Daten durch eine
16 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning
zweckmäßige und sichere Verarbeitung, es steht der Schutz vor Datenmissbrauch im
Vordergrund [Da21].
Bei einer Befragung der Salzburger Stromkunden äußerten 46,8% der Befragten, dass sie
durch die Einführung der Smart Meter einen “gläsernen“ Kunden und mangelnden
Datenschutz befürchten [FSE15]. Eine Bevölkerungsbefragung der Verbraucherzentrale
bestätigte, dass von den Befragten 50% darüber besorgt sind, ob ihre Daten und
Privatsphäre sicher ist beim nutzen Digitaler Stromzähler [TN15].
Die bisherige Planung der Energieerzeugung, die auf einem Mittelwert Verfahren basiert,
ist äußerst Datenschutz freundlich, da das individuelle Verbrauchsverhalten der Kunden
nicht offenbart wird. Bei einem intelligenten Messzähler zahlt der Verbraucher für den
Nutzen der Sicherstellung der Energieversorgung mit einem detaillierten und
transparenten Einblick in seinen Stromverbrauch. Es ist technisch möglich das
Verbrauchsverhalten im Sekundentackt zu protokollieren, dies würde einen Einblick
verschaffen über Aktivitäten in Beruf, Familie und Freizeit, was ein hohes
Ausforschungspotenzial über die Lebensgewohnheiten der Betroffenen bietet, es wäre
möglich große Massen an Daten zu Sammeln und ein differenziertes Nutzungsprofil zu
erstellen. Im Laufe des Tages würde der Smart Meter so viel Daten bereitstellen, dass
wesentliche Informationen für ein Persönlichkeitsprofil vorhanden sind. In Zeiten von Big
Data wäre es denkbar, dass diese Nutzungsprofile mit den personenbezogenen Profilen
aus den Sozialen Medien verknüpft werden, um eine noch genauere Personenanalyse
durchzuführen [BF 21].
Damit die individuellen Daten sicher sind, werden diese privaten Informationen mit
technischen Schutzkonzepten so verschlüsselt, dass diese nicht identifizierbar sind, sodass
eine anonyme Weiterverarbeitung der Daten gewährleistet ist [MSU12]. Zusätzlich sind
die Gesetzgeber daran interessiert Datenschutz und Datensicherheit auf einem sehr hohen
Niveau zu halten. In der Datenschutzgrundverordnung (DSGVO) und dem für
Deutschland geltenden Bundesdatenschutzgesetz (BDSG) stehen die Regelungen zum
Datenschutz. Die Regeln für Smart Metering sind durch das Messstellenbetriebsgesetz
(MsbG) festgelegt. Für die Smart Meter heißt es, dass die Ableseintervalle so groß sein
müssen, dass keine Ruckschlüsse auf das Verhalten des Verbrauchers geschlossen werden
können. Außerdem müssen die Daten anonymisiert, pseudonymisiert oder aggregiert
übermittelt werden und nur Zugangsberechtigte dürfen die Daten im Rahmen der
energiewirtschaftlichen Zwecke nutzen, die Erfassung zusätzlicher Daten ist nur mit der
schriftlichen Einwilligung der Betroffenen zulässig [DS21, Bu15].
Die folgenden sieben Grundsätze der europäischen Datenschutzgrundverordnung stehen
im Mittelpunkt des Smart Meter Rollouts [Jo21]. Artikel 5 Grundsätze in Bezug auf die
Verarbeitung personenbezogener Daten
• „Rechtmäßigkeit, Verarbeitung nach Treu und Glauben“, die erhobenen
personenbezogenen Daten müssen für die betroffene Person nachvollziehbar und
auf rechtmäßige Weise nach dem Grundsatz von Treu und Glauben verarbeitet
werden.Smart-Meter 17
• Die „Zweckbindung“ sagt aus, dass die personenbezogenen Daten nur für den
vorgesehenen Zweck erhoben werden und diese nicht zweckentbunden
weiterverarbeitet werden dürfen.
• Die „Datenminimierung“ sieht vor, dass der Umfang der personenbezogenen Daten
auf ein notwendiges Maß beschränkt wird, um den vorgesehen Zweck zu erfüllen.
• „Richtigkeit“, es sind alle angemessenen Maßnahmen zu treffen, um
personenbezogenen Daten aktuell und fehlerfrei zu halten.
• „Speicherbegrenzung“ sagt aus, dass personenbezogene Daten, welche die
Identifizierung ermöglichen, nur so lange in der Form gespeichert werden dürfen,
wie die vorgesehenen Zwecke es für die Weiterverarbeitung erfordern.
• Die „Integrität und Vertraulichkeit“ sieht vor, dass der Schutz von
personenbezogenen Daten vor Verlust, Schädigung, Zerstörung, unrechtmäßiger
und unbefugter Verarbeitung jederzeit gewährleistet ist.
2.7 Schutzprofil
Das Schutzprofil beschreibt mögliche Bedrohungen der Einsatzumgebung eines Smart-
Meter-Gateways und definiert die Mindestanforderungen für die nötigen
Sicherheitsmaßnahmen. Um ein Zertifikat für ein Smart Meter Gateway zu erhalten,
werden die Geräte auf Basis dieses Schutzprofils geprüft, ob sie die Schutzziele Erfüllen.
Dabei werden den Herstellern die Freiheiten zu unterschiedlichen Ausführungen nicht
genommen, so wird eine kontinuierlich technische Weiterentwicklung mit neuen
Lösungsansätzen nicht eingeschränkt, es soll lediglich ein einheitlich hoher
Sicherheitsstandard gewährleistet werden [Bu21c].
2.8 Sensibilisierung des Endverbrauchers für den eigenen Strombedarf
Wie zuvor erwähnt ist eines der Ziele des Smart Meter Systems den Endverbraucher
Transparenz für den eigenen Energieverbrauch zu schaffen, weil die wenigsten
Verbraucher über den Energiebedarf ihrer eigenen Geräte Bescheid wissen [Fr21a].
Denkbar wäre, dass die Haushalte über eine Smartphone Applikation (Abbildung 7) durch
visualisierte dargestellte Daten ihren aktuellen und aggregierte Verbrauch tracken können.
Aus der Transparenz lässt sich auf Geräte mit hohen Energieverbrauch schließen, welche
ersetzt oder bewusst sparsamer eingesetzt werden sollten, damit verbunden könnte sich
der Smart Meter auf das Kaufverhalten in Bezug auf das Anschaffen von Neugeräten
auswirken. Statt der reine Nutzen und Komfort im Fokus einer Anschaffung steht, könnte
in Zukunft auch die Energieklasse eine große Rolle oder sogar Alleinstellungsmerkmal
darstellen. Des Weiteren ist der Vergleich von Alltagszenarien wie zum Beispiel die
verbrauchte Menge an Energie bei einer Dusche gegenüber einem Bade oder die
Minimierung der auf Standby stehenden Geräte möglich.18 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning
Abbildung 7 Visualisierung einer Smart Meter Applikation [Gr21]
Ein weiterer Aspekt ist die variable Tarifierung, diese könnte das Ende der
Abschlagszahlung und der Ausgleichsrechnung (Stromjahresrechnung,
Nebenkostenabrechnung) am Ende des Jahres bedeuten. Statt einer errechneten
Abschlagsrechnung aus vergangenen Daten, ist eine monatlich angepasste Zahlung an den
aktuellen Verbrauch denkbar [Do20]. Das bietet Haushalten die Möglichkeit flexibel auf
ihren Energiebedarf zu reagieren und Anpassungen ihres Verhaltens vorzunehmen, ob der
individuelle Mensch dabei ökologisch oder ökonomisch angetrieben handelt, ist
irrelevant. Das Ziel des Smart Meters dem Menschen einen bewussten Umgang mit dem
eigenen Energieverbrauch zu ermöglich ist somit gewährleistet.
2.9 Wertschöpfungskette
Der Einsatz von intelligenten Messsystemen ist aus rechtlicher Sicht insbesondere für den
Datenschutz kritisch zu betrachten und birgt einige Probleme, unter anderem die Frage in
welchem Ausmaß nachgeschaltete Einheiten in der Wertschöpfungskette des
Energieversorgungsnetzes wie der Netzbetreiber, der Messstellenbetreiber, der
Stromanbieter über die verfügbaren Daten mittels Smart Metering verwendet werden
dürfen und wem die daraus entstehenden Erträge zustehen [Do17].Smart-Meter 19
In der Bundesrepublik Deutschland wird die Wertschöpfungskette in der
Elektrizitätswirtschaft in den folgenden vier Wertschöpfungsstufen aufgegliedert:
„Erzeugung und Speicherung, Transport/Verteilung, Handel/Beschaffung und Vertrieb“
[De20].
• Erzeugung und Speicherung: Die Wertschöpfungsstufe nennt sich zwar
Energieerzeugung, aber Energie kann nicht erzeugt oder verbraucht werden. Der
Vorgang der umgangssprachlich als Energieerzeugung benannt wird, ist die
Energieumwandlung [UHI20]. Diese Wertschöpfungsstufe wandelt sogenannte
Primärenergien wie Braun- und Steinkohle, Wasser- Wind- und Sonnenenergie in
elektrischen Strom (Sekundärenergie) um [De20].
• Transport und Verteilung: In der Verantwortung für das elektrische
Versorgungsystem stehen die vier folgenden Übertragungsnetzbetreiber, Amprion
GmbH, TenneT TSO GmbH, 50Hertz Transmission GmbH und TransnetBW
GmbH [HHL19]. Diese müssen gemäß §12 und §13 des Energiewirtschaftsgesetzes
sicherstellen, dass innerhalb der jeweiligen Region eine sichere und zuverlässige
Stromversorgung zur Verfügung steht [HHL19]. Mittels Hochspannungsnetzen,
deren Spannung 380kV und 220kV beträgt transportieren die
Übertragungsnetzbetreiber Strom über große Distanzen und binden das deutsche
Stromnetz an Nachbarländer an [De20]. Für die Verteilung innerhalb Deutschland
zu den Letztverbrauchern, wird das Verteilnetz genutzt, welches Hoch- (110kV)
Mittel- (35kV bis 10kV) und Niederspannungsebenen (0,4kV) besitzen [De20].
Stromnetze bilden ein natürliches Monopol und unterliegen staatlicher Regulierung,
weil parallel Netze sowohl ökologisch als auch ökonomisch nicht sinnvoll sind
[De20].
• Handel und Beschaffung: Das Geschäftsmodell des Energiehandels bildete sich
1998 mit der Liberalisierung der Energiemärkte [Dü17]. Der Energiehandel bietet
die Möglichkeit des Ein- und Verkaufs von Strom und für die Wertschöpfungsstufe
Erzeugung auch Primärenergieträger, wobei größere Versorger über eigene
Handelseinheiten verfügen und kleinere Versorger sich zusammenschließen, um
ihren Bedarf zu bündeln oder einen dafür spezialisierten Dienstleister zu nutzen
[De20].
• Vertrieb: Im Vertrieb steht durch den freien Markt, der Kundenkontakt von Angebot
über Beratung bis zum Abschluss von Dienstleistungs- oder Kaufverträgen von
Stromprodukten im Mittelpunkt [De20]. Letztverbraucher haben die Möglichkeit
sich im Schnitt zwischen 100 verschiedenen Lieferanten zu entscheiden [Li21],
weshalb sich die Zielsetzung im Vertrieb aus Kundenneugewinnung und halten von
Bestandskunden besteht [De20]. Im Laufe der Zeit entwickelt sich eine
Veränderung der Wertschöpfungskette innerhalb der Energiewirtschaft dadurch,
dass Letztverbraucher mittels erneuerbaren Energien, selbst in der Lage sind die
Wertschöpfungsstufen Erzeugung und Handel zu erschließen [Li21].20 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning
2.10 Entwicklung der Energiewirtschaft
Bruttostromerzeugung nach Energieträgern in
Deutschland
252
250
200 170
Stromerzeugung in TWh
148 143
150
92 92
100
64 2000
43 49 38
50 24 22 2020
0
Abbildung 8 Vergleich der Jahre 2000 und 2020 der Bruttostromerzeugung nach Energieträgern in
Deutschland Vgl. [St21c]
In der Vergangenheit waren einzelne große Kraftwerke in einem Top Down System für
die Energieerzeugung zuständig. Allerdings war diese Art der Energieerzeugung sehr
umweltbelastend, so dass einige Länder sich dazu entschlossen haben diese Art der
Energiegewinnung langsam aber stetig abzubauen und stattdessen auf umweltfreundliche
Energieerzeugungsmittel umzurüsten siehe Abbildung 8. Entscheidende Beweggründe
waren zum einen die Nuklearkatastrophe von Fukushima und zum anderen der von
Menschen verursachte Klimawandel [Bu21a].
In Deutschland hat der Bundestag am 30. Juni 2011 nach der Nuklearkatastrophe von
Fukushima beschlossen, dass die Atomkraftwerke zu gefährlich sind, und es wurde sich
parteiübergreifend auf den Atomausstiegsbeschluss geeinigt. Daraufhin wurden alle
älteren deutschen Atomkraftwerke abgeschaltet, die bis einschließlich 1980 in Betrieb
genommen wurden. Spätestens am 31. Dezember 2021 werden drei weitere deutsche
Atomkraftwerk heruntergefahren Grohnde, Grundremmingen C und Brodorf. Die letzten
drei deutschen Atomkraftwerke Isra 2, Emsland und Neckarwestheim 2 werden spätestens
am 31. Dezember 2022 abgeschaltet [Bu21d].Smart-Meter 21 Die Kohlekraftwerke verursachen eine sehr hohe CO2-Emission, um die Umwelt zu schonen werden die Stein- und Braunkohlekraftwerke in Zukunft zunehmend abgebaut. Der Bundestag und Bundesrat haben per Gesetz den Ausstieg aus der Kohleverstromung am 3. Juli 2020 beschlossen. Demnach sollen in Deutschland bis zum Jahr 2038 alle Kohlekraftwerke stillgelegt werden. Bei der Braunkohle sieht der Ausstiegsplan wie folgt aus: Ende 2020 wurden die ersten Braunkohlekraftwerke vom Netzt genommen. Bis 2022 sollen weitere sieben Braunkohlekraftwerksblöcke heruntergefahren werden. Dies bedeutet eine geschätzte CO2 -Einsparung von 20 bis 25 Millionen Tonnen pro Jahr. Bis zum Jahre 2030 sollen weitere zehn Braunkohlekraftwerksblöcke abgeschaltet werden, bis schließlich die letzten elf Braunkohlekraftwerke spätestens im Jahr 2038 stillgelegt sind. Bei der Steinkohlekraft orientiert sich der Ausstiegsplan nach der Leistung der Steinkohlekraftwerke. Im Jahr 2020 wurden die ersten vier Gigawatt Steinkohlekraft vom Markt genommen. Innerhalb des Jahres 2022 sind nur noch Steinkohlekraftwerke mit einer Leistung von insgesamt 15 Gigawatt im Betrieb. Anschließend soll bis zum Jahr 2030 die Reduzierung der Steinkohlekapazitäten schrittweise bis auf acht Gigawatt erfolgen [Bu21h]. Das Umweltbewusstsein und die Bedürfnisse der Nachhaltigkeit unserer Gesellschaft spiegelt sich in der Energiewirtschaft wider, so ist laut Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz der Anteil der erneuerbaren Energien wie Zum Beispiel Photovoltaikanlagen, Wasserkraftwerke, Biogasanlagen, Windenergieanlagen und Blockheizkraftwerken in Deutschland stetig gewachsen. Der Plan für erneuerbare Energien sieht laut Erneuerbare-Energien-Gesetz 2017 wie folgt aus: bis 2020 sollten 35 % des Jahresstrombedarfs von erneuerbaren Energien gedeckt werden, dieses Ziel wurde mit 46% übertroffen [Bu21i]. Für das Jahr 2025 sieht das Ziel 40% bis 45% vor, welches bereits 2020 erfüllt wurde. Am 1. Januar 2021 ist das Energie Gesetz 2021 in Kraft getreten, dieses sieht für das Kalenderjahr 2030 eine Steigerung auf 65% vor [Bu21i]. Der größte Anteil der erneuerbaren Energien machte 2020 mit 53% die Windkraftanalgen (Off- und Onshore) aus, danach folgt Photovoltaik mit 20% dicht gefolgt von Biomasse mit 18%. Die übrigen 9% bestehen aus 7% Wasserkraft und 2% Hausmüll [St21b]. Hier ist deutlich zu vermerken, dass ein starker Wachstumstrend vor allem bei den Windkraftanlagen sowohl Onshore als auch Offshore sowie den Photovoltaikanlagen stattfindet. Bei einem Jahresvergleich der Jahre 2010 und 2020 wird der Wachstumstrend der Erneuerbaren Energien deutlich. Die Bruttostromerzeugung der Onshore-Windkraft wuchs von 38,8 TWh auf 105,3 TWh, bei der Offshore-Windkrafterzeugung steigerte sich die Stromerzeugung von 0,2 TWh auf 27,5 TWh und bei den Photovoltaikanlagen ist ein Wachstum von 11,7 TWh auf 50,4 TWh zu verzeichnen, siehe Abbildung 9 [St20].
22 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning
Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien in
Deutschland
120
105
Stromerzeugung in TWh
100
80
60 50
44
39
40 28 29 2010
21 19
20 12 2020
5 6
0,2
0
Abbildung 9 Vergleich der Jahre 2010 und 2020 der Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren
Energien in Deutschland Vgl. [St20]
2.11 Virtuelles Kraftwerk
Bei einem Virtuellen Kraftwerk handelt es sich um ein zusammengesetztes
Energienetzsystem, dass unterschiedliche Energieerzeugungsanlagen verknüpft und nach
außen hin wie ein einheitliches System erscheint, obwohl es eine Zusammenfügung aus
mehreren kleinen Teilsystemen ist [Pr18].
Das Virtuelle Kraftwerk vereint Energieressourcen wie Energieerzeuger,
Energieverbraucher und Energiespeicher zu einer verknüpften Einheit, damit wird die
Planung, Verwaltung sowie Beobachtung des Energiebetriebs über ein
Energiemanagement realisiert und soll zudem eine vereinfachte Integration in die
bestehenden Energienetze und Energiemärkte ermöglichen. Auf dieser vernetzten
dezentralen Grundlage wird ein umfangreicher Einblick über den Energiefluss gegeben
mit dem Ziel die Energieversorgung von der Erzeugung bis zum Bedarf besser zu
koordinieren und um schwankende Energieumwandlung der regenerativen
Energieerzeuger besser zu managen und somit effektiver für eine konstante Netzstabilität
zu sorgen[DH17].Smart-Meter 23 Die Energiewirtschaft in Europa befindet sich seit vielen Jahren im Wandel, Laut Dür und Hayne sind dafür vor allem die folgenden vier Faktoren des Energiesektors verantwortlich [DH17]: • Die andauernde Marktvolatilität. • Ein zunehmendes Umweltbewusstsein in unserer Kultur. • Ein wachsendes Bedürfnis für Nachhaltigkeit in unserer Gesellschaft. • Ein immer stärkeres Fortschreiten der Digitalisierung. 2.12 Laststeuerung Bei einer effektiven Energieverwaltung ist im idealen Zustand die Energieerzeugung genau gleich wie der Energiebedarf, dieses Gleichgewicht ist jedoch in der Realität nicht so leicht zu halten. Mit technischen Hilfsmitteln wird eine 50 Hertz Wechselspannung im Energienetzt gehalten, durch das hoch und runter fahren der Leistung der Kraftwerke wird die Wechselspannung trotz schwankender Energieerzeugung und Energiebedarfs verwirklicht [Ne 10]. Lastspitze bezeichnet ein Zeitintervall zum Beispiel Tag oder Jahr in dem die höchst auftretende Leistungsnachfrage im Stromnetz stattfindet [Bu21e]. Der Begriff Laststeuerung oder auch Lastmanagement wird im englischen als Demand Side Management bezeichnet. Das Lastmanagement wird in zwei mögliche Verfahren unterschieden, einmal ins Demand Side Management und in das Demand Side Response [SL13]. Das Demand Side Management beschreibt eine Steuerung des Energienetzes von der Erzeugerseite mit der Hilfe technischer Mittel, mit dem Ziel die Frequenz im Stromversorgungsnetz bei 50 Herz zu halten [WS22]. Hierbei wird auf die Nachfrage des Stromes von Industrie, Gewerbe und privaten Haushalten schnell reagiert und die Stromerzeugung angepasst, sodass eine effektivere Stromverwaltung ermöglicht wird und Lastspitzen vermieden werden können [WS22]. Demand Side Management kann dafür sorgen, dass zu dem Zeitpunkt, wenn Energie besonders günstig ist, der Strom verbraucht oder gespeichert wird [DH17]. Beim Demand Side Response möchte man durch monetäre Anreize den Energieabnehmer dazu verleiten auf Marktpreise des Stromes zu reagieren. Hier soll der Verbraucher selbst zu einem nachhaltigen Verhalten angeregt werden oder durch den Einsatz von intelligenten Verfahren soll der Verbraucher dazu befähigt werden auf Netzschwankungen, Erzeugungssituationen und Strommarktänderungen automatisiert zu reagieren [DH17]. Bei der Anwendung von Demand Side Response kann der Strom vom privaten Verbraucher oder industriellen Betrieben mit flexiblen Produktionsprozessen genutzt werden, wenn zwischen Angebot und Nachfrage der Energieerzeugung und Energiebedarf
24 Nikolai Jacyn und Sascha Böhning Unterschiede herrschen und so ein monetärer Anreiz entsteht. Die Vorteile der jeweiligen Situation kann verwendet werden, beispielsweise wenn ein Angebotsüberschuss vorhanden ist, verursacht durch einen allgemein geringen Strombedarf oder wenn die Stromerzeugung wetterbedingt bei starkem Wind oder Sonnenstrahlen produktiv ist, so ist es vorteilhaft unter diesen Bedingungen einen günstigen Strom von der Verbraucherseite zu beziehen. Im umgekehrten Fall, wenn entweder die Erzeugung des Stromes durch die Wetterlage nicht gerade optimal ist oder der Strombedarf durch die Nachfrage steigt und somit der Strombedarf vergleichsweise hoch ist, dann ist es im Interesse der Verbraucher aus monetärer Sicht weniger Strom zu nutzen, so kann die Industrie, wenn möglich ihre Produktion drosseln oder auf zuvor gespeicherte Energie zurückgreifen [Pu21b]. 3 Methodik Um den Einfluss von Smart-Meter-System auf die CO2-Bilanz innerhalb des Energiesektors zu untersuchen, wurde sowohl eine quantitative als auch eine qualitative Literaturrecherche durchgeführt. Die Recherche begann bei den 17 Agenda Zielen der Vereinten Nationen für nachhaltige Entwicklung 2021 (sustainable Development Goal). Hierbei rückte das Ziel Nr.13 Mahnahmen zum Klimaschutz in den Vordergrund. Aus dem Bericht ging die aktuelle Klimasituation hervor, mit dem Ziel des Pariser Abkommens bis 2050 die Klimaneutralität zu erreichen. Daraufhin wurde die deutsche Situation zum Klimaschutz bezüglich Gesetzes- und Zielvorgaben näher untersucht. Auf der offiziellen Seite der Bundesrepublik Deutschland wurde festgestellt, dass der Energiesektor einen entscheidenden Einfluss auf die CO2 Jahresemissionsmenge hat und ein großes Einsparungspotential herrscht. Auf der Homepage des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz hat sich herauskristallisiert, dass der Energiesektor vor einer großen Veränderung steht, in Form einer Energiewende. Die eine Dezentralisierung fördert und zunehmend schwieriger zu verwalten ist, weshalb das Stromversorgungsnetz auf digitale Messsysteme angewiesen ist. Bevor die Suche nach intelligenten Messsystemen begann, wurde über Google Scholar mit dem Suchbegriff Informations- und Kommunikationstechnik mit der Begrenzung ab 2015 gesucht, das ergab 6790 Treffer, es wurde sich aus einem der ersten 20 Artikeln für das Buch Einführung in das Informationsmanagement vom Springerverlag entschieden. Daraus ergaben sich die Definition der Informations- und Kommunikationstechnik. Diese wurde auf den Energiesektor präzisiert. Außerdem wurde aus der Quelle “Evaluations- und Monitoring-Bericht der Begleitforschung“ zitiert. Um den Smart Meter mit der Energiewirtschaft in Zusammenhang zu bringen, wurde in dem Katalog für Hochschule für Angewandte Wissenschaften mit dem Suchbegriff Energiesektor und dem Filter e-Medien 452 Treffer erzielt, daraus wurde die Fachlektüre
Smart-Meter 25 “Realisierung Utility 4.0“ ausgewählt, um den Smart Meter in das intelligente Messsystem einzuordnen und kurz die Funktionen zu erläutern. Hierbei wurde entdeckt, dass der Smart -Meter -Gateway eine wichtige Komponente des Smart-Meters ist. Für die nähere Erklärung des Smart-Meter-Gateways wurde das Suchbegriff Smart-Meter-Gateway mit dem Filter 2020 auf der Seite des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik eingeben. Dies führte zu 285 Ergebnissen für diese Seminararbeit wurde der Artikel “ Das Smart-Metering-System“ verwendet. Durch die Digitalisierung des Energiesektors entsteht ein smartes Energienetz welches auch Smart-Grid genannt wird. Die Suche auf Google Scholar mit dem Keyword Smart- Grid und der Eingrenzung ab 2015, ergaben sich 4400 Ergebnisse, aus denen der Artikel “Architekturentwicklung im Smart-Grid“ von Dieter Draxler ausgewählt wurde für die nähere Beschreibung des Smart-Grids. Um den Begriff Smart Meter Rollout und die damit verbundenen Strategien zu erläutern, wurde in dem Katalog der Hochschule für Angewandte Wissenschaften der Begriff Smart Meter Rollout, mit den Filtereinstellungen ausschließlich e-Medien gesucht, dies lieferte acht Ergebnisse. Ausgewählt wurde das gleichnamige Buch “Smart Meter Rollout“ von Aichele, Christian. Nach der Begriffsklärung wurde sich auf die aktuelle Strategie in Deutschland konzentriert, hierfür wurde die Gesetzgebung zur Digitalisierung der Energiewende verwendet. Über die Gesetzeslage wurde man auf den Gerichtsbeschluss vom 04. März. 2021 aufmerksam, welcher den aktuellen Smart Meter Roll out vorübergehend in Deutschland stoppte. Aufgrund der Unstimmigkeiten zwischen dem Gesetzgeber und des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik, wurde das Konflikt Thema Datenschutz und Datensicherheit genauer untersucht. Hierbei wurde entdeckt, dass von Seitens der Letztverbraucher Sorge um ihre privaten Daten besteht, dies belegte die Bevölkerungsumfrage der Verbraucherzentrale zum Thema Smart Meter. Für den Einstieg in das Thema, wurden zuerst die Grundlegenden Begriffe Datenschutz und Datensicherheit näher definiert, mit Hilfe der Internetquelle Datenschutz.de. Für das tiefere Verständnis für das Thema Datenschutz und Datensicherheit in Deutschland wurden sowohl Quellen der Bundesbeauftragte für den Datenschutz und die Informationsfreiheit als auch des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie genutzt. Das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik hat seine eigenen Standards zum Datenschutz und Datensicherheit im Schutzprofil definiert. Weiterhin hat man das Ziel des Smart Meters den Endverbraucher für eine effiziente Energieverwendung zu sensibilisieren untersucht, hierbei hat sich die Quellen “ Smart Energie in Haushalten: Technologien, Geschäftsmodelle, Akzeptanz und Wirtschaftlichkeit“ Als nützlich erwiesen. Diese Quelle ist auf Google Scholar mit dem Suchbegriff Smart Meter Endverbraucher unter der Einschränkung ab 2021 verfügbar. Die Wertschöpfungskette der Energiewirtschaft wurde für das allgemeine Verständnis der Stromherkunft bis hin zum Vertrieb erklärt, mit Bezug zu der Fachlektüre “Digitalisierung und Energiewirtschaft: technologischer Wandel und wirtschaftliche Auswirkungen“ aus
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