Eignung von Funktechnologien für die Digitalisierung der Energiewende – Teil 1

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Gastbeitrag von Prof. Christian Lüders und Dr. Bernd Sörries, Fachhochschule Südwestfalen

Funktechnologien für Smart-GridSmart-Grid: Funktechnologien für die Digitalisierung der Energiewende

Mit der Verabschiedung des Messstellenbetriebsgesetzes (MsbG) steht die bundesweite Einführung von intelligenter Messtechnik an 1. Parallel stehen die Verteilernetzbetreiber vor der Herausforderung, die ständig steigende Anzahl verteilter Erzeugungsanlagen sicher in ihre Netze zu integrieren 2. Beide Entwicklungen führen im Ergebnis zu einer informationellen Vernetzung von Millionen regional verteilter Messpunkte, Speicher- und Produktionsanlagen. Der abstrakte Leitsatz des Internets der Dinge, wonach alles was vernetzt werden kann, auch vernetzt wird, wird langsam Realität in der Energiewirtschaft.

Bei der Digitalisierung der Energiewende werden nun Strukturen und Prozesse einer kritischen Netzinfrastruktur erfasst und verändert. Damit müssen die zum Einsatz kommenden Informations- und Kommunikationstechnologien besonderen technischen Anforderungen genügen. § 21 Abs. 1 Nr. 3 MsbG fordert diesbezüglich, das bei der Digitalisierung des Messwesens nur sichere und leistungsfähige Fernkommunikationstechnik zum Einsatz kommen darf.

Was darunter im Einzelnen zu verstehen ist, darüber schweigt sich der Gesetzgeber aus. Bei der Ausstattung von Verteilernetzen mit Informations- und Kommunikationstechnologien (Smart Grid) bestehen diesbezüglich überhaupt keine expliziten gesetzlichen Vorgaben. Das aber auch hier nur sichere und leistungsfähige Technologien zum Einsatz kommen dürften, ist aus dem Versorgungsauftrag ableitbar (§ 11 Abs. 1 S. 1 EnWG). Somit müssen Verteilernetzbetreiber entscheiden, welche Kommunikationstechnologien geeignet sind, ein sicheres, zuverlässiges und leistungsfähiges Energienetz zu betreiben.

Beitrag schmalbandiger Funktechnologien zur Digitalisierung der Energiewende

Im Markt wird diskutiert, inwieweit schmalbandige Funktechnologien, wie LoRa, die Digitalisierung der Energiewende unterstützen können. Der Beitrag greift diese Diskussion auf. Er vergleicht standardisierte Mobilfunktechnologien (im Wesentlichen 3GPP-Technologien) mit LoRa, das dem Segment der „Low Power Wide Area Networks“ (LPWA-Netze) zugerechnet werden kann. In diesem Beitrag werden zum besseren Verständnis 3GPP-Technologien (LTE CatM1, NB-IoT) nicht den LPWA-Netzen zugerechnet.

Im ersten Teil des Beitrags werden zunächst die energiewirtschaftlichen Anforderungen identifiziert. Nachfolgend werden weitere mit dem Internet der Dinge assoziierte Anforderungen erläutert. Im Anschluss werden die relevanten Funktechnologien kurz vorgestellt und nachfolgend vergleichend bewertet.

Energiewirtschaftliche Anforderungen an Kommunikationstechnologien

Die Analyse, ob eine Kommunikationstechnologie geeignet ist, die spezifischen Anwendungen in der Energiewirtschaft zu unterstützen, kann nur unter Rückgriff auf die den Anwendungen zugrunde liegenden technischen und wirtschaftlichen Anforderungen erfolgen.

Die hier zu betrachtenden Anwendungsszenarien betreffen das Monitoring von Anlagen, die Datenübermittlung für Fernmessung, Fernsteuerung, Fernschaltung sowie Softwareupdates und Zeitsynchronisation.3 Damit richtet sich der Blick auf Anwendungen in den Bereichen der Netzsteuerung, Steuerung des Verbrauchs, Steuerung der (dezentralen) Erzeugung, der Abrechnung, des Angebots neuer Dienste sowie der Wartung der Infrastruktur. Zusätzlich sind die sich aus § 22 Abs. 2 MsbG ergebenen Anforderungen zu beachten. Da das MsbG die netzdienlichen Funktionen mit denen des reinen Messens von Verbräuchen verknüpft, ergeben sich die technischen Anforderungen vor allem aus der netzkritischen Steuerungsfunktion 4.

Im Einzelnen bedeutet dies, dass die Kommunikationstechnologie eine hohe Leistungsfähigkeit (u.a. geringe Latenz, garantierte Datenübertragung) und Ausfallsicherheit (Resilienz) besitzen muss. Des Weiteren sollte sie an den jeweiligen Einsatzorten verfügbar sein. Niedrige Kosten sind genauso wie eine Zukunftsfähigkeit (u.a. Migrationsfähigkeit) erforderlich.

Bezüglich der Datenübertragung ist festzuhalten, dass diese in der Regel schmalbandig ist. Jedoch kann der Bedarf gerade bei Softwareupdates (Wartung) vereinzelt deutlich höher ausfallen und bis zu 1 Mbit/s betragen 5.

Funktechnologien

Die Digitalisierung sämtlicher Wirtschaftsbereiche führt dazu, dass sich das Angebot an relevanten Funktechnologien ausweitet 6. Dies ist kaum überraschend, ist mit dem Internet der Dinge das Versprechen auf neue (Wachstums-) Märkte verbunden, während parallel die traditionellen Telekommunikationsmärkte kaum noch oder zumindest deutlich weniger Wachstumspotentiale ausweisen. Nachfolgend werden von Marktteilnehmern als relevant eingestufte Technologien verglichen.

IoT-Anforderungen an Funktechnologien

Oben wurden bereits einige spezifisch energiewirtschaftliche Anforderungen an die Funktechnologien genannt. In Ergänzung dazu sollen hier noch die Anforderungen erwähnt werden, die typischerweise im Zusammenhang mit dem Internet der Dinge oder der Vernetzung diskutiert werden. Es soll damit eruiert werden, ob zu den obigen Anforderungen noch weitere dazu kommen, die beim Vergleich bzw. der Auswahl der Technologien zu beachten sind.

Qualität der Datenverbindung

Die Qualität der Datenverbindung ist nicht nur in Abhängigkeit der eingesetzten Technik zu sehen. Sie hängt auch davon ab, ob die fragliche Technologie im lizenzierten oder im unlizenzierten Spektrum zum Einsatz kommt 7. Soweit lizenziertes Spektrum genutzt wird (z.B. in den Bereichen 450 MHz, 700 MHz, 800 MHz, 900 MHz) 8, besteht eine exklusive Frequenznutzung, die gepaart mit einer höheren Leistung der Technologie sowie der Abwesenheit von Interferenzen sich positiv auf die örtliche und technische Verfügbarkeit der jeweiligen Dienste auswirkt. Eine vergleichsweise hohe Servicequalität ist möglich bzw. kann vom Anbieter garantiert werden. Interferenzen mit anderen Diensten gibt es in der Regel nicht. Sofern sie auftreten, bestehen rechtliche Möglichkeiten, die Störungen der Frequenznutzung durch Dritte zu unterbinden.

Im unlizenzierten Bereich, bei denen die Frequenznutzung auf Basis einer Allgemeinverfügung mit deutlich geringer Leistung erfolgt, sind Störungen bei der Nutzung durch Dritte zu dulden. Vor dem Hintergrund der Prognosen für das Internet der Dinge ist zu erwarten, dass es bei einer zunehmenden Vernetzung von Dingen des Alltags die für jedermann zur Verfügung stehenden Frequenzen verstärkt genutzt werden, so dass das Störpotential ansteigt. Ob dann die Anforderungen aus § 21 Abs. 1 Nr. 3 MsbG oder analog § 11 Abs. 1 S. 1 EnWG jederzeit erfüllt werden, kann nicht von vornherein beantwortet werden. Jedenfalls sind die europäischen Regulierungsbehörden der Auffassung, dass Funktechnologien im unlizenzierten Bereich die Übertragung von Daten nicht garantieren können 9. Insoweit sind die Parameter „Leistungsfähigkeit“ und „Verfügbarkeit“ in Abhängigkeit zur jeweiligen (exklusiven oder nicht exklusiven) Frequenznutzung zu sehen.

Kosten der Funktechnologien

Eine weitere Ergänzung betrifft die relevanten Kosten. Hierbei sind Gerätekosten genauso zu betrachten wie die Kosten der Fernkommunikation und der Installation. Spezifisch für die Energiewirtschaft ist hierbei, das im Vergleich zu anderen Maschine-zu-Maschine-Anwendungen die Installation beispielsweise des Smart Meter Gateways (SMGW) durch Fachpersonal erfolgen muss.

Die Anforderungen an die Selbstkonfiguration der Kommunikationseinheit fallen im Vergleich zu anderen M2M-Diensten deutlich geringer aus. Ansonsten erwarten die Marktteilnehmer, dass die Kosten für die Konnektivität sehr niedrig ausfallen, obwohl die Qualität der Weitverkehrsanbindung beispielsweise im Bereich der Netzsteuerung deutlich über der Qualität liegt, die für die große Masse künftiger M2M-Dienste nachgefragt bzw. angeboten wird.

Bei den Kosten für die Funktechnologie sind die Kosten für die Funkmodule in den SMGWs und die Kosten für Basisstationen zu betrachten, wobei man bei letzteren zwischen den technologieabhängigen (Elektronik, Übertragungstechnik) und den technologieunabhängigen Kosten (z.B. Standort, Masten, Antennen, Kabel, Stromversorgung,) unterscheiden muss. In Hinblick auf insgesamt niedrige Kosten sind Technologien, die eine möglichst hohe Funkreichweite und Kapazität pro Funkzelle bieten (und damit wenig Standorte erfordern), anzustreben.

Energieverbrauch der Geräte

Abschließend soll noch darauf verwiesen werden, dass für viele Anwendungen im Internet der Dinge der Energieverbrauch von zentraler Bedeutung ist. Gerade die Endgeräte, die über Batterien mit Energie versorgt werden, sollten im Idealfall über 10 Jahre genutzt werden können. Das spezifische in der Energiewirtschaft ist hier wiederum, dass die Lebensdauer oder die Einsatzzeit der Endgeräte nicht von der Batterieversorgung abhängig ist. So bezieht das SMGW seinen Strom aus dem Netz. Darüber hinaus sind Eichperioden für die Gateways zu beachten, die in anderen Sektoren und IoT-Anwendungen nicht einschlägig sind.

Funktechnologie im lizenzierten Bereich: CDMA, LTE, NB IoT

Im lizenzierten Frequenzbereich unterstützen heute weltweit die Mobilfunkstandards GSM, UMTS, CDMA und LTE Maschine-zu-Maschine-Anwendungen. Die im Vorfeld der Verabschiedung des MsbG durchgeführten Pilotprojekte oder der Rollout in anderen Ländern (Niederlande, Österreich) haben gezeigt, dass insbesondere die im Bereich 450 MHz eingesetzten Mobilfunktechnologien in besonderer Weise geeignet sind, energiewirtschaftliche Anwendungen (Smart Grid und Smart Metering) zu unterstützen 10. Die Tests zeigten jedoch ebenfalls auf, dass bis auf die Ausnahme von CDMA die anderen Mobilfunktechnologien zum Zeitpunkt der Tests nicht auf die spezifischen Anforderungen der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation ausgelegt waren.

In Reaktion auf die Entwicklung von schmalbandigen LPWAN-Technologien (wie LoRa) und den Wachstumspotentialen im Internet der Dinge hat hier aber ein Umdenken eingesetzt. Neuere Entwicklungen des LTE-Standards (ab Release 12, veröffentlicht im Jahr 2015) sowie die Standardisierung der 5. Generation Mobilfunk gehen auf die Anforderungen des Internet der Dinge ein. So werden die Weiterentwicklungen von LTE zu steigenden Kapazitäten für M2M-Anwendungen führen, die Reichweite und Durchdringung verbessern sowie den Energieverbrauch und die Kosten der Endgeräte weiter verringern.

LoRa als Funktechnologie im unlizenzierten Bereich

Vor dem Hintergrund der obigen Anforderungen wurde in den letzten Jahren eine Reihe von neuen Funktechnologien entwickelt, die mit einer vergleichsweise großen Reichweite einen flächendeckenden Einsatz erlauben und dabei gleichzeitig einen langjährigen Einsatz von batteriebetriebenen Endgeräten erlauben (so genannte Low Power Wide Area Networks).

Eine Funktechnologie in diesem Segment ist LoRa 11. LoRa wurde ursprünglich von der amerikanischen Firma Semetch entwickelt. Der entsprechende offene Industriestandard LoRa wird inzwischen von der LoRa Alliance, einer offenen, non-profit-Allianz von Industrieunternehmen, gepflegt und herausgegeben. Die LoRa-Netzwerkprotokolle sind darauf zugeschnitten, kleine Datenmengen zahlreicher Sensoren mit wenig Energieaufwand sicher über möglichst große Entfernungen (Long Range) zu einem „Gateway“ zu transportieren. Die LoRa-Gateways entsprechen dabei den Basisstationen der Mobilfunknetze.

Als zentraler Bestandteil der Übertragungstechnik kommt bei LoRa eine Spreiztechnologie zum Einsatz, die bei den geforderten verhältnismäßig geringen Datenraten eine hohe Empfängerempfindlichkeit ermöglicht. Dies ist ein Ansatz, um den traditionellen Design-Konflikt zwischen Reichweite, Störfestigkeit und Energieverbrauch zu lösen. Mit Reichweiten bis zu 15 km in ländlicher Umgebung können ganz neue Anwendungen (mit niedrigem Datenübertragungsbedarf) im lizenzfreien 868-MHz-Band realisiert werden 12. Die Preise für Module für die Endgeräte liegen laut Marktangaben bei unter 10 Dollar 13.

Eine Nutzung von LoRa ist in Europa vorwiegend im ISM-Frequenzband bei 868 MHz vorgesehen. Die Frequenznutzung beruht auf einer Allgemeingenehmigung für so genannte Short Range Devices (SRD). Trotz des Namenswiderspruchs Short versus Long Range ist eine LoRa-Nutzung in den Bändern möglich, wenn die in Abbildung 1 illustrierten Randbedingungen in Hinblick auf die „Effective Isotropic Radiated Power“ (EIRP) und den“ Duty Cycle“ (DC) eingehalten werden.

Eignung von Funktechnologien für die Digitalisierung der Energiewende – Teil 1Abb. 1: Frequenzbereiche, Duty Cycle (DC) und erlaubte Sendepegel (Effective Radiated Isotropic Power EIRP) für LoRa im Vergleich zu Mobilfunksystemen im lizensierten 450-MHz-Bereich (Zitat: BNetzA, EN)

Die EIRP ergibt sich aus der Summe aus dem Sendepegel des Funkmoduls und des Gewinns einer eventuell angeschlossenen, externen bündelnden Antenne (abzüglich Kabelverlusten). Je nach Frequenzband darf die EIRP höchsten 10 dBm (10 mW) bzw. 14 dBm (25 mW) betragen, in einem sehr schmalen Teilband sind auch 27 dBm (500 mW) möglich. Dazu ist anzumerken, dass eine Erhöhung des Sendepegels um 9 dB, also z.B. von 14 dBm (häufig bei LoRa zu finden) auf 23 dBm (UL, CDMA 450), bei ansonsten gleichen Randbedingungen und typischen Ausbreitungsmodellen nahezu zu einer Verdopplung der Reichweite führt.

Der Duty Cycle gibt den Prozentsatz der Zeit an, den ein einzelnes Funkmodul maximal innerhalb einer Stunde zum Senden verwenden darf – bei dem typischen Wert von 1 % sind es also maximal 36 s innerhalb von einer Stunde. Mit diesem Mechanismus soll eine faire Aufteilung der knappen Funkressourcen zwischen verschiedenen Anwendungen garantiert und gegenseitige Störungen weitgehend reduziert werden. Allerdings ist damit auch eine Grenze für die Größe der zu übertragenen Datenpakete gegeben, wie weiter unten noch näher diskutiert wird. Auf die Begrenzung des Duty Cycles könnte verzichtet werden, wenn im System die Methoden des „listen before talking“ und der adaptiven Frequenzträgerwahl (adaptive frequency agility) implementiert wären. Der gegenwärtige LoRa-Standard verwendet allerdings die Begrenzung des Duty Cycles, um die Zuteilungsauflagen zu erfüllen.

In dieser Beziehung könnte LoRa mit den vom Forum Netztechnik/Netzbetrieb im VDE (FNN) formulierten Anforderungen an die TK-Infrastruktur für den Betrieb von SMGWs in Frage kommen. Danach senden die SMGWs turnusgemäß alle 15 Minuten ihre Registerinhalte an eine Zentrale. Wegen der geforderten Übertragung im XML-Format mit speziellen Anwendungs- und Netzwerkprotokollen sind dafür jeweils 2145 Bytes zu übertragen. In der folgenden Abbildung 2 ist gezeigt, wie lange dabei der Funkkanal für die Übertragung dieser Bytes bei den für LoRa zur Verfügung stehenden Datenraten belegt ist (dunkelgrau). Diese Belegungszeit übersteigt bei den niedrigen Datenraten i.A. die Duty-Cycle-Vorgabe von 9 s (bezogen auf 15 Minuten). Ferner ist auch die Zeit illustriert, die für die Bestätigung der Datenrahmen (ACK) und dabei auftretende Wartezeiten benötigt wird (hellgrau). Die in Abbildung 2 dargestellten Zeiten gelten für eine völlig fehlerfreie Übertragung, die so in der Praxis z.B. durch Interferenzen oder Überlastungen nicht vorkommen wird. Bei Fehlern sind einzelne Datenrahmen zu wiederholen, wodurch sich die Zeiten verlängern.

Der Download eines Firmware Patches (540 kByte), der laut FNN-Anforderungen in etwa einmal pro Halbjahr ansteht, würde pro betroffenen SMGW einen Funkkanal je nach Datenrate zwischen 7 Minuten und 7 Stunden belegen, ein kompletter Firmware Update sogar etwa 20-mal so lange.

Eignung von Funktechnologien für die Digitalisierung der Energiewende – Teil 1Abb. 2: Belegungszeiten für die Übertragung von Nutzdaten (2145 Bytes pro 15 Minuten) und die Zeiten für Bestätigungen der fehlerfreien Übertragung für die verschiedenen nominellen Datenraten bei LoRa

Fortsetzung in Teil 2

Fußnoten

1. Lange/Möllnitz, Die flächendeckende Markteinführung intelligenter Messsysteme zwischen Wettbewerb und Regulierung, N&R 2016, 258-262. ↩
2. Wissner, The Smart Grid – a saucerful of secrets?, App. Energy 88, 2509-2518, 2011. ↩
3. FNN, Anforderungen an TK-Einrichtungen für den Betrieb von Messsystemen, Juli 2014. ↩
4. Kerber, Netzkritische USE-CASES der PG Kommunikations- und Steuerungsschnittstellen aus netzbetrieblicher Sicht, FNN/VDE. ↩
5. Vgl. Plückebaum/Wissner, Aufbau intelligenter Energiesysteme – Bandbreitenbedarf und Implikationen für Regulierung und Wettbewerb, WIK-Diskussionsbeitrag Nr. 372, 2013 ↩
6. Elkhodr et al., Emerging wireless technologies in the internet of things: a comparative study, International Journal of Wireless & Mobile Networks 2016, 67-82. ↩
7. Vgl. Centenaro et al., Long-Range Communications in Unlicensed Bands: the Rising Stars in the IoT and Smart City Scenarios, IEEE Wireless Communications, vol. 23, no. 5, pp. 60-67, October 2016. ↩
8. Wenn hier nur Frequenzen unterhalb von 1 GHz betrachtet werden, dann hängt das mit der örtlichen Verfügbarkeit ab. Frequenzen oberhalb von 1 GHz sind nur mit Zusatzaufwendungen in der Lage, die notwendige örtliche Verfügbarkeit (in Kellern) zu gewährleisten. ↩
9. BEREC, Report Enabling the Internet of Things, 2016, S. 11. ↩
10. Baumgarten/Kürner, LTE: Die vierte Mobilfunkgeneration zur Anbindung von Smart Meter Gateways nutzen, Energiewirtschaftliche Tagesfragen 2014, Heft 7, 15-18; ITG/VDE, Kommunikationsnetz für das Smart Grid, 2015, Sörries, N&R 2013. ↩
11. Vgl. Augustin et al., A Study of LoRa: Long Range & Low Power Networks for the Internet of Things, Sensors 2016, 1466. ↩
12. Siehe: http://www.funkschau.de/telekommunikation/artikel/117470/ ↩
13. http://www.elektroniknet.de/markt-technik/kommunikation/die-nachfrage-nach-lora-ist-enorm-128926.html ↩

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Bericht: The Last Bookstore L. A.