Smarte Energieversorgung mit LoRaWAN

Viele Menschen werden es kennen: In regelmäßigen Abständen werden Privatwohnungen von Mitarbeitern verschiedener Energieanbieter heimgesucht, um die Zählerstände des Wasser-, Gas- oder Stromverbrauchs abzulesen.

Eine hochgradig ineffiziente Vorgehensweise für beide Seiten: Das Unternehmen muss Personal bereitstellen und entsprechend Anfahrtswege und Zeit beim Ablesen einkalkulieren, während die Verbraucher dazu gezwungen sind, ihre Alltagsplanung zu unterbrechen und geduldig auf die Mitarbeiter des Energieunternehmens zu warten. Wenn bei der Zeitplanung auf einer der beiden Seiten etwas schiefgeht, ist Frust oftmals vorprogrammiert. Doch was wäre, wenn solche Situationen schon bald der Vergangenheit angehören? Wenn Unternehmen ihre Mitarbeiter nicht mehr zur Messung vor Ort losschicken müssen und Verbraucher ungestört ihrem Alltag nachgehen können?

Eine Antwort für die Smart City von morgen (und teilweise schon heute) können Verbrauchszähler liefern, die über eine LoRaWAN-Verbindung verfügen und darüber den Verbrauch bereits aus der Ferne an das Versorgungsunternehmen mitteilen können.

So fern und doch so nah

In vielen Ländern und Städten haben die verantwortlichen Versorgungsunternehmen die Zeichen bereits erkannt und erste Schritte unternommen, um sowohl schlankere unternehmensinterne Prozesse zu implementieren als auch den Endkunden eine bessere Nutzererfahrung zuteilwerden zu lassen.

Immer mehr Versorgungsunternehmen wollen an die Spitze dieser neuen, smarten Revolution, und drängen mit entsprechend smarten Zählern zunehmend auf die weltweiten Märkte. Zu den bisherigen Schwierigkeiten der großflächigen Verbreitung gehört jedoch, dass oftmals eine effiziente Netzwerktechnologie fehlt, die es den Unternehmen ermöglicht, mit geringem Aufwand an die relevanten Daten zu gelangen. Denn eines ist jedem Unternehmen klar:  Daten sind erst dann wirklich wertvoll, wenn sie gesammelt, analysiert und verarbeitet werden können.

Die flächendeckend Interkonnektivität stellt daher eine der letzten großen Hürden dar, die es zu nehmen gilt, um den Weg für die smarte City von morgen nachhaltig zu bereiten und gleichzeitig smarte Versorgungsunternehmen zu ermöglichen. Smarte Zähler können ihre potenzielle Intelligenz und ihren Wert nur dann entfalten, wenn sie zuverlässig, robust und kosteneffizient angeschlossen sind. Aus diesem Grund ist es enorm wichtig zu verstehen, dass die komplexe Verbindung aller Sensoren, Zähler und Steuerungen, die eine bessere Verwaltung der Versorgungseinrichtungen ermöglichen, viele Variablen berücksichtigen muss. Die Unternehmenslandschaft wird zusehends komplexer und mehrseitige Geschäftsmodelle finden immer mehr Verbreitung, weshalb auch die Versorgungsunternehmen verstanden haben, dass eine einfach zu implementierende, einfach zu verwaltende, belastbare, robuste und kostengünstige Netzwerktechnologie ein wesentlicher Bestandteil ihrer smarten Pläne ist.

LoRaWAN kann für viele Versorgungsunternehmen genau jene Technologie sein, die sie benötigen, um smarte Zählersysteme flächendeckend zu vernetzen. Obwohl die Bedürfnisse von Strom-, Gas- und Wasserversorgern unterschiedlich und sehr spezifisch sind, benötigt jeder Versorgungstyp ähnliche Grundlagentechnologien in Bezug auf smarte Geräte, Konnektivität und Datenverarbeitungsfähigkeit. Werfen wir am besten einmal einen Blick darauf, vor welchen Herausforderungen die einzelnen Bereiche im Detail aktuell stehen.

 

Wasser – ein rares Gut

Die öffentlichen Debatten über die Privatisierung von Wasservorräten sowie die adäquate Verteilung innerhalb der Bevölkerung eines Landes sind vielen zur Genüge bekannt. Was viele hingegen kaum wissen, ist, dass der Internationalen Energieagentur (IEA) zufolge, mehr als 34 % des gepumpten Wassers aufgrund von Manipulationen, Diebstahl, Zählerfehlern und mangelhaften Verteilungsnetzen verlorengeht.

An einigen dieser Stellen kann ein smartes Verteilungssystem gezielt ansetzen, indem es klar definierte Bereiche, die es zu berücksichtigen gilt, mit in die Betrachtung einbezieht. Eine smarte Messung des sogenannten primären Wasserverbrauchs und der Wasserverteilung bezieht sich direkt auf das Netz eines Wasserversorgungsunternehmens und bietet dadurch wichtige Einblicke in den Betrieb des Verteilungsnetzes und ermöglicht die Abrechnung mit einzelnen Kunden. Wohingegen sich smarte Zählersysteme auf den Markt für Wiederverkäufer und Gebäudeverwaltungen konzentrieren, die daran interessiert sind, den Verbrauch der einzelnen Endverbraucher eines Gebäudes aufzuteilen und den Wasser- und/oder Energieverbrauch pro Haushalt zu überwachen. Zusätzlich zu diesen beiden Hauptunterschieden suchen die Wasserversorgungsunternehmen nach Funktionen, die über die einfache Überwachung von Informationen hinausgehen. Einigen Versorgungsunternehmen ist eine Fernsteuerung des Wasserleitungsnetzes sehr wichtig, um nicht nur Einblick in Druck und Durchfluss zu erhalten, sondern auch um Wasserlecks zu finden und zu kontrollieren und dadurch Pumpverlust zu minimieren.

 

Die smarte Welt von morgen benötigt Strom – sehr viel Strom

In einer Welt, die sich zunehmend bewusster wird, dass der kommende Klimawandel auch für den Energiesektor eine enorme Herausforderung bedeutet, ist der Übergang zu regenerativen Energien und einer effizienteren Steuerung der Energieversorgungssysteme nur noch eine Frage der Zeit.

Schon jetzt gehen immer mehr Stromversorger dazu über, die Verbrennung fossiler Brennstoffe zur Stromerzeugung aufzugeben und auf erneuerbare Energien wie Wind- und Solarenergie umzusteigen. Daraus ergeben sich jedoch wiederum gänzlich neue Herausforderungen, da beispielsweise die Erzeugungskapazität von den Wetterbedingungen abhängt und daher weniger vorhersehbar und gezielt planbar ist ist. Hinzu kommt, dass immer mehr Verbraucher zunehmend zu Stromerzeugern und -verbrauchern werden (beispielsweise durch eine Solaranlage auf dem Dach), sodass eine stärkere Integration, Daten und Erkenntnisse über die Mikroerzeugung und die individuellen Verbrauchsgewohnheiten erforderlich sind.

Zwar gehören die Stromversorgungsunternehmen zu den ersten Vorreitern der smarten Verbrauchsmessung, allerdings haben die Erzeugung, der Transport und die Verteilung von Strom ganz unterschiedliche Anforderungen und werden nicht selten von verschiedenen Unternehmen durchgeführt.

Doch selbst wenn diese Bereiche gut miteinander verbunden sind, gibt es also innerhalb des Elektrizitätssektors unterschiedliche Motivationen und Triebkräfte, die bei Initiativen für smarte Elektrizität berücksichtigt werden müssen. Ein Stromerzeugungsunternehmen benötigt alle 15 oder 30 Minuten genaue Daten von den Endverbrauchern, um die benötigte Strommenge zur Deckung der Marktnachfrage und zum Ausgleich des Stromnetzes zu ermitteln. Ziel dieser Nachfragesteuerung ist es, die Verbraucher dazu zu bewegen, während der Spitzenlastzeiten weniger Energie zu verbrauchen oder den Zeitpunkt des Energieverbrauchs in schwächere Zeiten wie die Nacht und die Wochenenden zu verlegen. Die Elektrizitätsversorgungsunternehmen suchen nach absichtlichen Änderungen der Stromverbrauchsmuster der Endverbraucher, die darauf abzielen, den Zeitpunkt, die Höhe der momentanen Nachfrage oder den Gesamtstromverbrauch zu ändern. Diese Daten stammen jedoch von Prosumern (also Nutzern, die sowohl Strom verbrauchen als auch produzieren), die oft von verschiedenen Verteilerunternehmen verwaltet werden, sodass die gesamte Elektrizitätswirtschaft vor der Herausforderung steht, die Daten aller beteiligten Endverbraucher miteinander zu verbinden und zu integrieren, um ein genaues Bild von Verbrauch und Nachfrage zu erhalten. Durch die Vielzahl beteiligter Unternehmen kann sich die Integration dieser Daten in ein gemeinsames Netzwerk als eine große Herausforderung gestalten.

Erdöl (und Erdgas) – Energie von gestern, noch immer aktuell

Mit dem zunehmenden Fokus auf erneuerbare Energien, verliert die Erdölindustrie immer weiter an Bedeutung, wird jedoch auf absehbare Zeit noch für einige Jahre eine große Relevanz in vielen Bereichen haben.

Im Gegensatz zur Elektrizität ist die Erdölwirtschaft noch relativ überschaubar. So gibt es beispielsweise keine Verbraucher, die Erdöl selbst erzeugen, und Erdöl selbst kann leichter gelagert werden, um bei Bedarf zur Verfügung zu stehen. Allerdings weisen Erdöl und Erdgas einige Ähnlichkeiten mit der primären Wassermessbranche auf. Die Versorger müssen den Verbrauch berechnen und sicherstellen, dass ihr Verteilernetz keine Lecks aufweist, und die Zähler sind ideale Datenquellen für diese Zwecke. Die relative Einfachheit der Gasversorgung bedeutet, dass die Gasversorger weniger an der Fernauslesung von Gaszählern interessiert sind, und es gibt in vielen Ländern strenge Vorschriften für alle Geräte, die die Versorgungsunternehmen einhalten müssen. Dies stellt einige Beschränkungen für die Einführung neuer Technologien dar, die es in der Zukunft noch zu lösen gilt, sodass es wahrscheinlich ist, dass die Unternehmen der Erdölindustrie später nachziehen werden, wenn es darum geht, smarte Zählersysteme zu implementieren.

 

LoRaWAN als Wegbereiter smarter Versorgungsnetze

Es gibt viele Möglichkeiten, wie smarte Versorgungsunternehmen die Verbindung von Geräten wie Zählern ermöglichen können. Diese reichen von Satelliten- und Mobilfunkverbindungen bis hin zu neueren Low-Power-Netzwerken (LPWAN), wie LoRaWAN. Stromsparende Weitverkehrsnetze (Low Power Wide Area Networks, LPWAN) setzen sich im Allgemeinen gegenüber mobilen Lösungen zur Zählerauslesung durch und werden von den Versorgungsunternehmen ausgewählt, weil insbesondere LoRaWAN eine extrem hohe Reichweite mit einer weitreichenden Untergrund- und Innenraumdurchdringung sowie einer Batterielebensdauer von bis zu zwei Jahrzehnten kombiniert.

Für Messanwendungen von Wasserversorgern, die relativ geringe Datenmengen haben und selten eine niedrige Latenzzeit oder eine hohe Dienstqualität erfordern, bietet LoRaWAN eindeutig die Reichweite, die Batterielebensdauer, die Abdeckungsfähigkeit, die einfache Bereitstellung und die Kosteneffizienz, die von der Wasserbranche benötigt wird.

Derzeit gibt es 148 LoRaWAN-Netze in 162 Ländern mit einem großen Ökosystem von Entwicklern, Lieferanten und Anbietern. Dies hat das Potenzial, den Versorgungsunternehmen und ihren Kunden eine größere Auswahl an Anwendungen zu bieten und eine größere Anzahl von Geräteherstellern wird wahrscheinlich mehr verbreitete Technologien in ihre Gerätedesigns einbeziehen. Die LoRaWAN-Zertifizierung gewährleistet die Einhaltung der LoRaWAN-Spezifikation für ein korrektes Netzwerkverhalten und ermöglicht den Zugang zu einem breiten Ökosystem von zuverlässigeren Geräteherstellern und Sensoren.

Dank der Kapazität und der Reichweite von LoRaWAN bieten sich für Versorgungsunternehmen aller Art beträchtliche Möglichkeiten für die Zusammenarbeit mit Smart-City-Initiativen in privaten LoRa-Netzen, die lokal eingesetzt werden. So könnten z. B. die Straßenbeleuchtung, die Müllabfuhr und Parkdienste ein LoRaWAN-Netz nutzen, das gemeinsam mit den Versorgungsunternehmen genutzt werden kann, wodurch Kostenreduzierung und höhere Betriebseffizienz für das Versorgungsunternehmen und die smarte Stadt von morgen entstehen.

 

Wie sicher sind die übertragenen Daten?

Versorgungsunternehmen erbringen Dienstleistungen, die für die Aufrechterhaltung des Lebens unerlässlich sind, daher sollte auch die Sicherheit der Konnektivität eine Priorität sein. Die Zähler müssen sicher sein, um Benutzerdaten und das Versorgungsunternehmen vor betrügerischen Aktivitäten zu schützen, aber auch, und das ist vielleicht noch wichtiger, damit sie keine Schwachstelle darstellen, über die Cyberkriminelle in das Netz des Versorgungsunternehmens eindringen können. Die Sicherheit der LoRaWAN-Technologie wurde mit dem Anspruch entwickelt, den Designkriterien der Technologie gerecht zu werden, d. h. niedriger Stromverbrauch, geringe Implementierungskomplexität und hohe Skalierbarkeit sowie getrennte gesicherte Schlüssel für den Netzbetreiber einerseits und die Endbenutzeranwendung andererseits. Geräte der Versorgungswirtschaft werden über lange Zeiträume im Feld eingesetzt – Strom- oder Wasserzähler haben eine typische Lebensdauer von 20 Jahren oder mehr – daher muss die Sicherheit zukunftssicher sein. Die Sicherheit von LoRaWAN wurde daher so konzipiert, dass standardisierte, bewährte und vertrauenswürdige Algorithmen verwendet werden und die gängigen Sicherheitsprinzipien der Ende-zu-Ende-Kommunikation wie gegenseitige Authentifizierung, Integritätsschutz und Vertraulichkeit umfassend beachtet werden.

 

Was bringt die Zukunft?

Der Versorgungssektor steht unter dem Druck sowohl der Behörden als auch der öffentlichen Meinung, die Treibhausgasemissionen zu reduzieren, die natürlichen Ressourcen zu schützen und den globalen Energieverbrauch zu optimieren. Gleichzeitig steigt die Nachfrage kontinuierlich an und die Verteilungsnetze in städtischen Gebieten verdichten sich immer mehr, da die Weltbevölkerung stetig zunimmt und Megastädte zur Norm werden. Doch Ressourcen sind häufig lokal begrenzt, weshalb die Versorgungsunternehmen mehr investieren müssen, um eine höhere Effizienz im Verteilungsbetrieb zu erreichen. Mit der zunehmenden Nutzung internetbasierter Anwendungen müssen sich die Versorgungsunternehmen anpassen und einen digitalen Wandel vollziehen, um klare und regelmäßige Verbrauchsinformationen bereitzustellen. Denkbar sind daher auch politische Maßnahmen, mit denen Versorgungsunternehmen in Zukunft bestraft werden könnten, die keinen Plan für höhere Effizienz haben, z. B. Wasserversorger für die Reduzierung von Wasserverlusten oder Gasversorger für die Dekarbonisierung und die Sicherung potenzieller Gaslecks mit Detektoren. Die Verbesserung der globalen Effizienz, mehr Umweltfreundlichkeit und mehr Sicherheit sind wichtige Ziele für die Versorgungsunternehmen. Um mit langfristiger Interoperabilität zu skalieren und von den weitreichenden Veränderungen durch das Internet der Dinge zu profitieren, fordern die Versorgungsunternehmen Konnektivitätstechnologien nach offenen Standards, die die Wahl zwischen verschiedenen Netzmodellen (öffentlich/privat/hybrid) ermöglichen. Versorgungsunternehmen benötigen außerdem kosteneffiziente, robuste, zuverlässige, dauerhafte, sichere und einfach zu installierende Drahtlostechnologien, um die digitale Transformation ihrer Unternehmen und die ihrer Partner und Kunden langfristig zu unterstützen.

LPWANs im Allgemeinen, aber LoRaWAN im Besonderen, erfüllen und übertreffen die Anforderungen von Versorgungsunternehmen bei der Umstellung auf das neue digitale Zeitalter einer umweltverträglichen Energieversorgung.

LoRaWAN ist die verbreitetste Funktechnologie auf dem LPWAN-Markt und wird bereits von einem großen Ökosystem, das von der LoRa Alliance und anderen Anbietern unterstützt wird, sowie von einem dynamischen Entwickler-Ökosystem genutzt, was seine Position im Dienst der Versorgungsunternehmen langfristig sichert. Darüber hinaus verfügt LoRaWAN über die Flexibilität und Einfachheit, sich leicht anzupassen und dadurch sicherzustellen, dass Versorgungsunternehmen die Verbindungsstabilität haben, die sie für ihre Geschäfte benötigen – welche Herausforderungen die Zukunft auch bringen wird.