Interdisziplinär: Know-how aus drei Domänen fließt zur Realisierung eines Energieinforma­tionsnetzes zusammen.
Erschienen in: E2.0 April 2011, S. 64
HiHSmartEnergy  |  

Energieinformationsnetze: Basis für die intelligente Energieversorgung

Die Realisierung eines Smart Grid erfordert den Einsatz einer Infrastruktur aus Informations- und Kommunikationstechnik, die auf die Anforderungen des Energiebranche ausgerichtet ist – ein Energieinformationsnetz. Die Grundlagen zu seiner Entwicklung schafft ein Referenzmodell. *  Text: Dr.-Ing. Jörg Benze Foto: Dr.-Ing. Jörg Benze (Tobias Klotz)   

Der Anteil der Energiegewinnung aus regenerativen Energie-quellen wird zukünftig wachsen, da hierdurch der CO2-Ausstoß vermindert und die Risiken nuklearer Energiegewinnung reduziert werden können. Die hieraus resultierende steigende Anzahl von dezentralen und volatilen Energieerzeugungsanlagen im Netz erfordert den Einsatz eines intelligenten Energie-versorgungssystems (Smart Grid), welches Erzeuger, Speicher, Verbraucher und Netzbetriebsmittel kommunikativ vernetzt. Dafür wird eine neue Art von IKT-Infrastruktur (Informations- und Kommunikationstechnik) entstehen – ein Energieinformationsnetz. Doch wie wird es aussehen? Das hier beschriebene "Generische Modell" zeigt die Entwicklungstrends von "Energie-informationsnetzen und -Systemen" als neue Fachdisziplin.

Neue Fachdisziplin: Energieinformationsnetze

Wenn man sich mit der Frage auseinandersetzt, wie zukünftig ein Energieinformationsnetz aussehen könnte, muss man sich zunächst den Status quo der bestehenden Netze ansehen. De facto existieren heute zwei Arten von Netzen:

• Netze zur Übertragung elektrischer Leistung (Energieversorgungsnetze) und

• Netze zur Übertragung von Daten beziehungsweise Informationen (Daten- beziehungsweise Telekommunikationsnetze)

Der Aspekt der Automatisierung spielt bei beiden Netz-arten eine Rolle, wenn auch in unterschiedlicher Art und Weise. Ferner ist festzuhalten, dass primäre Anwendungsdomäne der Automatisierungstechnik die Steuerung und Regelung von Anlagen ist und in diesem Umfeld beide Netzarten zum Einsatz kommen.

Ein Energieinformationsnetz entsteht durch die Zusammen-führung beider Netzarten zu einem Netz. Die Realisierung eines Energieinformationsnetzes erfordert deshalb – wie in der Abbildung unten dargestellt – den interdisziplinären Einsatz von Know-how aus Energieversorgung, Automatisierungstechnik und Telekommunikation. Mit Energieinformations-netzen ist eine neue Fachdisziplin am Entstehen, die in ihrer Frühphase auf die interdisziplinäre Nutzung des Know-hows der angrenzenden Fachgebiete angewiesen ist und sich von diesem Punkt an selbst weiterentwickeln wird.

Um einerseits den aktuellen Stand in dieser neuen interdisziplinären Fachdisziplin zu beschreiben und andererseits eine Abschätzung der zukünftigen Entwicklung zu ermöglichen, soll der Versuch einer weitgehend vollständigen Modellierung eines Energieinformationsnetzes auf hoher Abstraktions-ebene erfolgen. Das hier entstehende generische Modell eines Energie-informationsnetzes soll die Darstellung aller Aspekte in einem einzigen Modell erlauben. Es soll ferner helfen, eine gemeinsame Semantik zu entwickeln, die den interdisziplinären Know-how-Transfer zwischen Experten der drei Fachdisziplinen ermöglicht.

Paradigmenwechseln in der Energieversorgung

Betrachtet man heute Energieversorgungsnetze und Telekommunikationsnetze in ihrem Aufbau und ihrer Struktur (einschließlich der darin enthaltenen Automatisierungen), so lassen sich gewisse Parallelen erkennen. Verschiedene Aspekte stehen hier auf unterschiedlichen Evolutionsstufen, was es ermöglicht, Erfahrungen aus einer Domäne mit entsprechenden Anpassungen in anderen Domänen zu nutzen. Für Energie-versorgungsnetze und Telekommunikationsnetze existieren heute noch unterschiedliche Modelle, die sich gegenwärtig nur bedingt zu einem Modell für Energieinformationsnetze zusammenführen lassen.

Durch die wachsende Anzahl dezentraler Energieerzeugungsanlagen wandelt sich die klassische Rolle des Energie-verbrauchers zu einem Prosumer beziehungsweise zu einem aktiven (Energie-)Netzteilnehmer. Hierdurch wird sich die klassische, viergeteilte Top-Down-Architektur des Energie-versorgungsnetzes – bestehend aus Erzeugung, Transport, Verteilung und Verbrauch von Energie – zu einer Peer-to-Peer-Architektur wandeln, beziehungsweise wird eine Peer-to-Peer-Architektur parallel zu der bestehenden (teil)zentralen entstehen (siehe Bild oben). In dieser könnte man Energieerzeuger und Energieverbraucher zu "Energie-Netzteilnehmern" zusammenfassen. Ebenso kann man Energietransport und Energieverteilung zum "Energie-Netzbetreiber" zusammenfassen. Das hieraus ableitbare Peer-to-Peer-Modell eines Energie-versorgungsnetzes, das nur noch aus den Komponenten "Ener-gie-Netzteilnehmer" und "Energie-Netzbetreiber" besteht, weist große Ähnlichkeiten zum klassischen Aufbau eines Telekommunikationsnetzes auf, welches aus Teilnehmern und einer Vermittlung besteht.

Diese geänderte Sichtweise auf den Aufbau eines Energieversorgungsnetzes ermöglicht es nun, Paradigmen beziehungsweise Best Practice der Netzwerk- und Systemmodellierung aus der Domäne Telekommunikation mit einigen Anpassungen auf die Domäne Energieversorgung anzuwenden. Da die Domäne Automatisierung sowohl bei der Energieversorgung als auch bei der Telekommunikation involviert ist, verfügt man somit über eine rudimentäre Menge von Werkzeugen zur Modellierung eines Energieinformationsnetzes.

Architektur eines Energieinformationsnetzes

Ziel des generischen Modells ist die Erstellung einer Referenzarchitektur für ein Energieinformationsnetz. Aus ökonomischen Gründen ist es nicht sinnvoll, eine komplette Neuentwicklung anzustreben; es gilt vielmehr, bestehende und bewährte Technologien aus den drei Domänen zu einem Modell zu integrieren. Ein wichtiger Aspekt hierbei ist, dass das Modell eine Unabhängigkeit von Infrastruktur und Diensten ermöglicht-, was eine der Voraussetzungen für die Entstehung neuer kreativer Wertschöpfungsketten und Geschäftsmodelle ist.

Das generische Modell (siehe Abbildung oben) wird aus vier Ebenen aufgebaut (Details siehe [1]):

• Infrastruktur (Physikalische Welt)

Die Infrastruktur-Ebene umfasst das technische Equipment (aus Telekommunikation, Energieversorgung und Automatisierungstechnik), das zum Betrieb eines Energieinformationsnetzes erforderlich ist. Ferner benötigt man Gateway-Elemente, mit denen auf Infrastrukturebene die Teilbereiche verbunden werden (als Beispiel kann hier ein Smart Meter als Verbindungselement zwischen Energieversorgung und Telekommunikation angeführt werden).

• Informationsobjekte und Dienstekommunikation

Die Ebene der Informationsobjekte und Dienstekommunikation (auch Dienstgenerierungsebene genannt) ermöglicht den softwaretechnischen Zugang zu Komponenten der Infrastruktur-Ebene über proprietäre oder standardisierte Schnittstellen und stellt somit eine Middleware dar, mit deren Hilfe die Komponenten der Infrastruktur-Ebene "anprogrammiert" werden können und der Zugriff auf Daten der Infrastruktur erfolgt.

• Dienste

Diese Ebene umfasst beliebige Dienste, virtuelle Objekte und virtuelle Strukturen (beziehungsweise die "Virtuelle Welt"), unabhängig von der darunterliegenden physischen Infrastruktur. Die Ebene der Dienste dient dazu, beliebige "Overlay-Strukturen" (beispielsweise ein "virtuelles Kraftwerk") auf Basis der Schnittstellen in der Ebene der Informationsobjekte und Dienstekommunikation unabhängig von der verwendeten Infrastruktur zu definieren, zu implementieren und zu betreiben.

• Dienstenutzer

Auf dieser Ebene sind die "Dienstanschlussnehmer" angesiedelt, deren Rolle im Smart-Energy-System darin besteht, Dienste zu nutzen, wofür sie ein Entgelt entrichten oder bekommen.

Das generische Modell ist in der Lage, ein Energieinformationsnetz durchgängig von der Infrastruktur bis zum Nutzer (beziehungsweise Prosumer) in einem einzigen Modell zu beschreiben; dies gegenwärtig noch auf einer hohen Abstraktions-ebene. Ferner kann das Modell rekursiv beziehungsweise hierarchisch angewendet werden, um die Interaktion von verschiedenen Akteuren zu beschreiben. Die Vorteile des hier erarbeiteten Referenzmodells bestehen darin, dass heute existierende Technologien integrierbar sind und die Dienste sowie die "Virtuelle Welt" von der unterliegenden Infrastruktur unabhängig ist. Diese Open-Innovation-Fähigkeit des Referenzmodells stellt ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der notwendigen Strukturierung der neuen Domäne Energieinformationsnetze und der erforderlichen Freiheit zur Entwicklung von neuen (virtuellen) Strukturen und Diensten dar. Diese Freiheit ist besonders wichtig, da nur sie Fortschritt und Weiterentwicklung in der Domäne Ener-gieinformationsnetze ermöglicht.

Start für fachübergreifende Weiterentwicklung

Mit dem Referenzmodell ist ein weitgehend vollständiges interdisziplinäres Modell einer IKT-Infrastruktur für ein Smart Grid auf hoher Abstraktionsebene geschaffen worden, das nun unter Einbindung aller Betroffenen mit Details zu versehen ist. Es ist als Beitrag für den Einstieg in einen konsequenten, systematisch geführten fachübergreifenden Entwicklungsprozess gedacht, um das Ziel der schnellen Einführung von Smart Grids in Deutschland zu unterstützen. ☐

Weitere Informationen

[1] VDE Positionspapier "Energieinformationsnetze und -Systeme" – Bestandsaufnahme und Entwicklungstendenzen

• more@click-Code: E20311051

Kontaktdaten

VDE e.V. VERBAND DER ELEKTROTECHNIK
Stresemannallee 15
60596 Frankfurt am Main
Deutschland
T +49-69-6308-218
F +49-69-6312925
E-Mail schreiben
zur Website
GO TOP

Ähnliche Artikel

HiH | Fachbericht

Regionale Smart Grids im Test

Energy 2.0 Titelreportage

Energy 2.0-Spezial


Spezial: Stadtwerke & Dienstleistungen

Fünf Tipps für innovative Geschäftsmodelle

• MEHR

Energy 2.0-Markt

Businessprofile