Smart Meter Bausteine für intelligente Netze

Smart Meter - Bausteine
Smart Meter - Bausteine

Smart Meter sind eine Voraussetzung für Smart Grids - sie bereiten den Weg zu einer Advanced-Metering-Infrastruktur (AMI). Es ist nicht mehr eine Frage des „Ob“, sondern nur noch eine des „Wann“ und „in welcher Form“. Infineon nimmt mit einem zielgerichteten Smart-Meter-Portfolio eine Schlüsselrolle bei der Bereitstellung von sicheren, zuverlässigen und technologisch führenden Produkten ein.

Die Stromversorgung, wie wir sie heute noch vorfinden, ist dafür ausgelegt, die Kunden mit so viel Energie zu versorgen, wie sie benötigen, wobei diese Energie von einem zentralen Kraftwerk kommt. Eine solche Infrastruktur kann allerdings nicht die Lasten handhaben, wie man sie heute oder künftig vorfindet. Daher müssen dort signifikante Neuerungen und Verbesserungen vorgenommen werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn man an den jährlich wachsenden Energiebedarf denkt. Ein Vergleich veranschaulicht diese Situation:

Wenn man Graham Bell in das 21. Jahrhundert transferieren könnte, dann würde er die modernen Komponenten der Telefonie wie Mobiltelefone, Funkmasten, PDAs etc. nicht wiedererkennen. Andererseits wäre Thomas Edison, einer der ersten Architekten von Stromnetzen, mit der heutigen Infrastruktur sehr vertraut.

Nach Schätzungen von Infineon müssen etwa 220 W aufgewendet werden, um schließlich die 85 W liefern zu können, die für Geräte oder die Beleuchtung in Haushalten typisch sind. Der Großteil der Verluste ist thermischer Art und fällt bei der Stromerzeugung an. Aber auch die Übertragung und die Umwandlung (von Wechsel- auf Gleichspannung und umgekehrt) verursachen einen wesentlichen Teil der Verluste. Dazu kommen die Umwandlungsverluste im Haushalt selbst. Schließlich bleiben nur durchschnittlich ca. 60 W für den Betrieb bzw. die Ansteuerung der Geräte übrig.

Da der Klimaschutz auf der politischen Agenda einen immer höheren Stellenwert einnimmt und dementsprechend eine effizientere Energienutzung gefordert wird, besteht ein dringender Bedarf nach einer umfassenden Erneuerung aller Aspekte rund um das Stromnetz, um dieses „intelligenter“ zu gestalten. Daher werden von den Energieversorgern Anstrengungen unternommen, mit Hilfe von weitreichendem Smart Metering die „Smart Grids“ Realität werden zu lassen. Dabei erfordert die Gewährleistung der Stabilität und Sicherheit von Stromnetzen bei Naturkatastrophen, Sabotage oder terroristischen Akten eine verbesserte physikalische und elektronische Sicherheit über das komplette Netz.

Smart allein ist zu wenig

Um den Energiebedarf zu decken, wird immer stärker auf Erneuerbare Energien zurückgegriffen. Allerdings stellen diese Energiequellen neue Anforderungen an die Versorgungsnetzwerke. Die Hauptprobleme sind:

  • Die Stromerzeugung hängt stark von Tag und Nacht bzw. Wetterbedingungen ab - mit hohen Schwankungen der verfügbaren Energie im Netz.
  • Die Erzeugung geschieht oft weit entfernt vom Verbraucher, d.h., die Energie muss über weite Entfernungen transportiert werden.
  • Die allgemeine Problemstellung beim Übergang von einem unidirektionalen Energiefluss hin zu Micro-Grids mit der Einbindung verteilter Energiequellen.

Um das Problem der Energie-Fluktuation zu adressieren, sind neue Verfahren erforderlich: Energiespeicherung, Ausgleich von Spitzen und eine auf schwankenden Bedarf ausgerichtete Infrastruktur. Um Schwankungen auszugleichen, kann während der Phasen mit hoher Stromerzeugung die Energie in Batterien oder Leistungsspeichern zwischengespeichert werden. Da alle Arten von Energiespeicherung Umsetzungen von Gleich- auf Wechselspannungen (und umgekehrt) bedingen, sind effiziente und innovative Halbleiter wie IGBTs, CoolMOS- oder SiC-Bauelemente gefragt, mit denen in den Umrichtern Wirkungsgrade von mehr als 98 Prozent erreicht werden können. Außerdem müssen Stromnetze so ausgelegt sein, dass sie Spitzenbedarf ohne Black-out überstehen. Auch wenn externe Energiespitzen relativ selten auftreten, muss das Netzwerk in der Lage sein, 30 bis 40 % mehr als den normalen Energiebedarf liefern zu können. Um Energiespitzen zu verhindern, kann Einfluss auf den Nutzer genommen werden. Smart Meter bieten hier das Potenzial, diese Spitzen zu verhindern und ausgleichend auf das Smart Grid bzw. die Micro-Grids einwirken zu können. Die per Smart Meter zur Verfügung gestellte Information ermöglicht es den Versorgern, Konzepte zu entwickeln, mit deren Hilfe sich der Energiebedarf ausgeglichener gestalten lässt. Auch durch die Tarifgestaltung können Versorger Einfluss auf den Energieverbrauch nehmen.

Hochspannungs-Gleichstromübertragung

Muss die elektrische Energie über weite Strecken transportiert werden, dann stellt die Hochvolt-Gleichspannungsübertragung ein wichtiges Verfahren zur Reduzierung der Übertragungsverluste und der Erhöhung der Kapazität dar. Mit Gleichstrom kann auch die Energie von Offshore-Windanlagen über Seekabel möglichst verlustarm an Land übertragen werden. Auch hier sind effiziente Leistungshalbleiter für die Umsetzung von Gleich- und Wechselspannung erforderlich.

Moderne Stromnetze müssen zudem kontinuierlich überwacht werden. Informationen zur Leitungslast, Temperatur oder Feuchtigkeit müssen für zahlreiche Knoten laufend an eine Steuereinheit übermittelt werden. Diese verwaltet die Leitungen und aktiviert im Fall eines Fehlers entsprechende Back-up-Versorgungen, um massive Zusammenbrüche zu vermeiden. Das setzt eine zuverlässige Sensor- und Kommunikations-Technik voraus.

Der Bedarf an umfassendem Monitoring bei modernen Stromnetzen wirft Sicherheitsprobleme auf: Smart Meter müssen den Anforderungen des Datenschutzes gerecht und gegenüber Manipulation geschützt werden. Um für jede Smart-Grid-Komponente ein hohes Sicherheitsniveau zu gewährleisten, integriert Infineon in jedes seiner Smart-Meter-ICs eine Verschlüsselungseinheit. Darüber hinaus werden zertifizierte Sicherheits-Hardware-Module für Smart Grids angeboten - mit dem Sicherheitsniveau von Kreditkarten oder elektronischen Ausweisen.

„Intelligenz“ ist also ein wesentlicher Aspekt beim Übergang von herkömmlichen Stromnetzen zu Smart Grids - aber eben allein nicht alles. So sind effiziente und zuverlässige Leistungshalbleiter, Sicherheits-ICs und Sensoren mindestens ebenso wichtig für die Realisierung einer modernen Stromversorgungs-Infrastruktur.