Viele Chancen im Bereich IoT (Internet of Things) sind gut bekannt, doch vieles wird nach wie vor übersehen oder unzureichend bedient, vor allem dann, wenn der Nutzen für die jeweiligen Geschäftsfälle nicht klar herausgestellt wird. Beim Smart Metering ist das anders, denn hier hat sich der Wert längst bewiesen und ist in einigen Ländern sogar zur Pflicht geworden.

Bei der großen Auswahl unterschiedlicher Smart-Metering-Arten und den vielen verfügbaren Optionen fällt es schwer, einen Anfang zu finden. Dieser Leitfaden soll Ihnen helfen, die Grundlagen von Smart-Metering-Anwendungen zu verstehen und zu erkennen, wie sich IoT nutzen lässt, um Effizienz zu steigern und Kosten zu senken.

Die Welt vor dem Smart Metering

Bevor es Smart Metering gab, existierten mindestens drei Arten von Zählern:

Die ersten mechanischen Zähler wurden im späten 19. Jahrhundert erfunden. Diese Geräte nutzten eine Reihe von Zahnrädern, um die Anzahl der Umdrehungen einer rotierenden Scheibe zu zählen.

Frühe elektrische Zähler ähnelten stark ihren mechanischen Vorgängern, doch sie verwendeten eine rotierende Scheibe, um die Anzahl der Umdrehungen zu messen, die durch einen elektrischen Strom erzeugt wurden.

Anschließend wurden in den 1970er Jahren die ersten digitalen Zähler entwickelt. Diese Art von Zähler nutzt einen Mikroprozessor, um die Anzahl der von einem elektrischen Strom erzeugten Impulse zu zählen.

Smart Meter

Smart Meter sind die neueste Generation digitaler Zähler. Sie nutzen verschiedene Technologien für die Kommunikation mit dem Versorger, darunter Mobilfunk, Funkfrequenz (RF), Power Line Carrier (PLC) und Mesh-Netzwerke. Smart Meter können den Versorgungsanschluss zudem aus der Ferne trennen und wieder verbinden, nahezu in Echtzeit Daten zum Energieverbrauch liefern und eine bidirektionale Kommunikation zwischen Zähler und Versorger unterstützen.

Interessanterweise wurde das erste digitale Zählersystem 1972 von Ted Paraskevakos entwickelt, der ein digitales Überwachungssystem für Brand-, Sicherheits- und medizinische Alarmsysteme sowie für Versorgungszähler schuf, basierend auf dem automatischen System zur Identifizierung von Telefonleitungen für die Kommunikation.

Regierungen und Zahlen

Regierungen begannen seit den späten 2000er-Jahren über die Einführung von Smart-Metering-Systemen zu diskutieren, und jetzt, im Jahr 2022, fordern einige sie von Unternehmen ein. Die Regierung des Vereinigten Königreichs zum Beispiel führte intelligente Energiezähler erstmals 2008 im Energy Act ein, der die Befugnisse für den Beginn eines Smart-Meter-Rollouts schuf, und in den USA gibt es sie seit 2006, als das kalifornische Unternehmen Pacific Gas & Electric (PG&E) den Rollout von 9 Millionen Smart Metern startete.

In den USA verfügten 2020 etwa 65 % aller Stromzähler über intelligente Funktionen, und am Ende desselben Jahres waren insgesamt 102 Millionen AMI im Einsatz, während es 33 Millionen AMR waren. Die Zahlen für das Vereinigte Königreich fallen etwas niedriger aus als in den USA: Dort gibt es nur 27,8 Millionen zwischen AMI und AMR, was insgesamt 50 % aller Energiezähler entspricht.

Metering und Submetering

Eine sinnvolle Option für Zählvorgänge ist das Submetering. Der Unterschied ist recht einfach: Metering ist die Gesamterfassung eines kompletten Betriebs, während Submetering den Wert erfasst, der nur von einem Teil des Betriebs stammt. Eine Möglichkeit, Utility Submetering zu definieren, ist die folgende: Es ist ein System, das es einem Vermieter, einer Hausverwaltung, einer Eigentümergemeinschaft, einer Wohnungseigentümervereinigung oder jeder anderen Immobilie mit mehreren Mietern erlaubt, Mietern individuell gemessenen Versorgungsverbrauch in Rechnung zu stellen. Dieser Ansatz nutzt einzelne Wasserzähler, Gaszähler oder Stromzähler.

Beim Metering würde der Wert beispielsweise vom gesamten Gebäude erfasst, beim Submetering hingegen nur von einer der Wohnungen, wie in der folgenden Abbildung dargestellt:

Das Submetering an sich senkt zwar weder Energieverbrauch noch Kosten, im Gegenteil erfordert die anfängliche Installation zusätzlicher Sensoren mehr Ressourcen, doch ein gut ausgelegtes Submetering liefert mehr Daten, die zu besseren Strategien und Abläufen im Energiemanagement beitragen können.

Die von Unterzählern und Zählern gesendeten Sensordaten können einseitig oder zweiseitig sein, je nachdem, ob sie Teil eines Automatic Meter Reading (AMR) oder einer Advanced Metering Infrastructure (AMI) sind.

AMR und AMI

Es gibt zwei Arten von Smart-Metering-Systemen: Automatic Meter Reading (AMR) und Advanced Metering Infrastructure (AMI). AMR kann Daten nur über kurze Distanz senden, weshalb möglicherweise weiterhin ein Mitarbeiter des Unternehmens vor Ort vorbeifahren muss, um diese Daten mit einem Gerät zu empfangen, während AMI-Zähler eine bidirektionale Kommunikation bieten, also Informationen senden und auch empfangen. In diesem Fall ist kein Besuch vor Ort nötig, um die Daten zu erfassen.

AMR-Zähler nutzen verschiedene Kommunikationstechnologien, darunter Funkfrequenz (RF), Power Line Carrier (PLC) und Telefonmodem. AMI-Zähler nutzen RF, PLC, Glasfaser oder Mobilfunknetze für die bidirektionale Kommunikation.

Beide Lösungen bieten ihre eigenen Vorteile: Auch wenn ein Mitarbeiter bei AMR weiterhin vor Ort fahren muss, muss er das Gelände nicht betreten und kann in kürzerer Zeit mehrere Berichte erfassen.

Eine AMI kann spezifischere Informationen senden als die AMR. Während die AMR bei der Stromzählung nur die kWh und mögliche monatliche Spitzen übermitteln kann, liefert die AMI auch Informationen zur Energiequalität, zum täglichen kWh-Verbrauch und Berichte zu Stromausfällen. Für beide Arten gilt: Die gemessenen Daten sind genauer als die eines nicht intelligenten Zählers.

Wichtigste Protokolle und Netzwerke im Smart Metering

Ob AMR oder AMI: Es wird ein Protokoll benötigt, um die Verbindung zwischen den Sensoren und dem Gateway herzustellen, und das Protokoll kann je nach Art des Zählers und den Anforderungen variieren. Sehen wir uns also einige Protokolloptionen an:

DLMS/COSEM

DLMS steht für Device Language Message Specification. Es ist ein globaler Standard für intelligentes Energie- und Wassermanagement, fortschrittliche Steuerung sowie smarte und innovative Zählung.

DLMS spezifiziert ein objektorientiertes Datenmodell, ein Anwendungsschichtprotokoll und medienspezifische Kommunikationsprofile.

COSEM, oder Companion Specification for Energy Metering, ist eine der Schlüsselkomponenten von DLMS, das Objektmodell, das praktisch jede Anwendung beschreiben kann.

M-Bus

M-Bus, oder Meter-Bus, ist ein europäischer Standard für die Fernablesung von Wärmezählern und lässt sich auch für andere Arten von Verbrauchszählern sowie für verschiedene Sensoren nutzen. Die M-Bus-Schnittstelle ist für die Kommunikation über zwei Drähte ausgelegt, was sie kostengünstig macht. Es gibt zudem eine Funkvariante von M-Bus, das Wireless M-Bus.

Netzwerke für Smart Metering

Die Netzwerkprotokolle sind der nächste Schritt, und auch diese unterscheiden sich je nach Art der Anwendung und den Kundenanforderungen. Einige Beispiele für Netzwerke wären:

Sigfox bietet eine softwarebasierte Kommunikationslösung, bei der die gesamte Netzwerk- und Rechenkomplexität in der Cloud statt auf den Geräten verwaltet wird. All das zusammen reduziert den Energieverbrauch und die Kosten der vernetzten Geräte drastisch, weshalb Sigfox von vielen als das erste Low Power Wide Area Network (LPWAN) angesehen wird und sich gut mit jeder Art von Versorgungsmanagement kombinieren lässt.

LoRaWAN steht für Long-Range Wide Area Networking und ist eines der LPWANs, deren Beliebtheit im Smart Metering enorm gestiegen ist, vor allem, weil es starke Vorteile mit sich bringt, etwa Konnektivität über große Distanzen, kostengünstigen Betrieb und eine verlängerte Batterielaufzeit.

NB-IoT ist ein weiteres LPWAN, und einige seiner größten Anwendungsfälle liegen im Bereich der Zählung, insbesondere bei smarter Wasser-, Gas- und Stromzählung.

Cat M1, oder Category M1, ist eine LPWAN-Option mit einem durchschnittlichen Upload zwischen 200 kbps und 400 kbps, was sehr wichtig ist, da in der Welt des IoT (Internet of Things) Stabilität absolut entscheidend ist, und dieses Netzwerk wird häufig für Versorgungszähler verwendet.

Warum entscheiden sich Unternehmen für Smart-Metering-Systeme?

Lässt man Netzwerke und Protokolle einmal beiseite, ist einer der Hauptgründe, warum sich Unternehmen und Regierungen weltweit für Smart-Metering-Systeme entscheiden, deren Funktionsumfang:

-Fernablesung: die Möglichkeit, Zähler aus der Ferne abzulesen, ohne dass ein Techniker vor Ort kommen muss.

-Automatisierte Ablesung: die Möglichkeit, Ablesungen automatisch in festgelegten Intervallen vorzunehmen und an ein zentrales System zu senden.

-Intervalldaten: die Möglichkeit, Ablesungen in festgelegten Intervallen vorzunehmen und lokal auf dem Zähler zu speichern. Diese Daten können dann zu einem späteren Zeitpunkt heruntergeladen werden.

-Lastprofilerstellung: die Möglichkeit, den Stromverbrauch zu verschiedenen Tageszeiten zu erfassen. Diese Daten lassen sich dann nutzen, um Muster im Energieverbrauch zu erkennen.

-Lastmanagement: die Möglichkeit, die Strommenge zu steuern, die von den am Zähler angeschlossenen Geräten verbraucht wird. Damit lässt sich der Gesamtbedarf am Stromnetz senken.

-Ausfallmanagement: die Möglichkeit, Stromausfälle zu erkennen und zu melden. Diese Informationen können dann genutzt werden, um die Zuverlässigkeit der Stromversorgung zu verbessern.

Einige dieser Funktionen sind nur für AMR verfügbar, andere für AMI, weshalb es einmal mehr äußerst wichtig ist, zuerst zu ermitteln, was besser zur jeweiligen Situation und zum Anwendungsfall passt.

Wie kann TagoIO Ihnen helfen?

Mit einer IoT-Plattform lässt sich der Funktionsumfang von Smart Metering leichter voll ausschöpfen, und TagoIO ist die richtige Plattform für Sie. Unsere Cloud-Plattform kann alle aus AMR- und AMI-Systemen erfassten Daten speichern und auf jedem Computer- oder Handybildschirm anzeigen. So können Sie auch das Intervall planen, in dem die Daten abgelesen werden, Ausfallberichte erstellen, eigene Skripte entwickeln, um auf solche Situationen zu reagieren, und Ihre Smart-Metering-Lösung aus der Ferne steuern.

Manche Organisationen bevorzugen es möglicherweise, ihre Smart-Metering-Lösungen außerhalb der Cloud zu halten, und genau hier kommt TagoCore ins Spiel. TagoCore bietet einen On-Premise-Dienst auf einer kostenlosen, schnellen und quelloffenen IoT-Plattform, auf der Sie alle AMR- und AMI-Funktionen nutzen können, während all Ihre Daten innerhalb Ihrer Organisation bleiben.

Für alle, die den Aufbau ihrer Smart-Metering-Anwendung beschleunigen möchten, bietet TagoIO außerdem einen Kickstarter an, der einsatzbereite Anwendungen bereitstellt. So müssen Sie nur noch Ihre smarten Sensoren und Geräte daran anschließen, ohne ein Dashboard bauen und Skripte zur Verwaltung der Zählerdaten erstellen zu müssen. Und falls Sie Hilfe bei der Auswahl dieser Sensoren oder Geräte benötigen, ob für Ihren Kickstarter oder allgemein, sollten Sie einen Blick auf unsere Partnerseite werfen, wo Sie zertifizierte Geräte und Sensoren für AMR- und AMI-Anwendungen finden.

Für weitere Informationen zu Anwendungsfällen im Smart Metering können Sie sich auch diese Blogbeiträge über die Optimierung von Zählerdiensten und die Gaszählung ansehen.