Digitalisierung in der Energiewirtschaft

12 Min
02. Mai 2024
Energiewirtschaft Industrie

Sie erwartet:

Die Energiewirtschaft steht vor zwei Mammutaufgaben. Die erste ist der geordnete Übergang zu sauberen Energien, die zweite die flexible, stabile und bezahlbare Versorgung mit Energie sowie der Zugang zu Energie für alle Menschen. Noch immer haben über 2 Milliarden Menschen keinen Zugang zu sauberem Brennstoff zum Kochen. Dies verdeutlicht die Herausforderungen auf dem Weg zu einer universellen Modernisierung, Technisierung und Digitalisierung des Energiesektors.

Insgesamt steht die Energieversorgung vor einer Transformation, die mit Hilfe von drahtlosen IoT-Technologien, künstlicher Intelligenz (KI), Big Data und dem Internet der Dinge (IoT) bewältigt werden kann. Alle Akteure der Energiewirtschaft stehen vor großen Herausforderungen, um die Energiewende zu schaffen.

1. Status Quo

Warum befinden wir uns aktuell in einer Energiekriese?

Die jüngste Energiekrise hat gezeigt, wie schnell das System der Energieversorgung instabil werden kann. Die russische Invasion in der Ukraine führte zu einer Unterbrechung der Gaslieferungen nach Europa. Die Folgen waren Energieknappheit, Preissteigerungen, Unsicherheit über die Energieversorgung und Unterbrechungen in der Lieferkette. Der Schutz der Verbraucher vor schwankenden Brennstoffpreisen im Jahr 2022 kostete die Regierungen Soforthilfen in dreistelliger Milliardenhöhe. Dennoch steigt der Energieverbrauch ungebremst weiter, wie Zahlen belegen.

Parallel zur Energiekrise unserer Zeit zeichnet sich immer deutlicher die Verschärfung der Umweltkrise ab, die ebenfalls eng mit der Energiefrage verknüpft ist. Das Umweltbundesamt beschreibt diese Entwicklung mit einer drastischen Zahl: Auf der Nordhalbkugel war das letzte Jahrzehnt das wärmste seit mehr als 125.000 Jahren. Der Weltklimarat kommt in seinem Sachstandsbericht (IPCC-AR6, 2021 bis 2023) zu dem Ergebnis, dass sehr ambitionierte Klimaschutzmaßnahmen und starke Reduktionen der CO2- und anderer Treibhausgasemissionen den mittleren Temperaturanstieg bis 2100 auf 1,5 °C bis 2,4 °C gegenüber vorindustrieller Zeit begrenzen können.

Die Energiewirtschaft ist komplex – Was gehört alles dazu?

Zur Branche der Energieerzeuger gehören Unternehmen, die Energie aus fossilen Brennstoffen (Kohle, Erdgas, Erdöl), mit Sonne, Wind, Wasserkraft, Biomasse der Geothermie sowie aus Kernenergie gewinnen.
Der Sektor Energieübertragung und -verteilung umfasst die Infrastruktur, die erforderlich ist, um die erzeugte Energie von den Erzeugungsanlagen zu den Verbrauchsstellen zu transportieren. Dazu gehören Übertragungsnetze, Verteilungsnetze, Stromleitungen und Pipelines.

Auch die Energiespeicherung ist ein wichtiger Bereich der Energiewirtschaft. Hier findet der Ausgleich zwischen Energieangebot und -nachfrage statt, damit die Zuverlässigkeit der Energieversorgung sichergestellt wird. Zu den Energiespeichertechnologien werden Batterien, Pumpspeicherkraftwerke, Druckluftspeicher, thermische Speicher und andere gezählt.

Ein weiterer Bereich ist der Energiehandel. In diesem Bereich geht es um den Handel mit Energieprodukten wie Strom, Erdgas und Öl. Außerdem wird Energie an Endverbraucher wie Haushalte, Unternehmen und Industrie geliefert.

Wichtige Aspekte der Energiewirtschaft sind die Optimierung des Energieverbrauchs und die Maximierung der Energieeffizienz. Unternehmen und Organisationen entwickeln und implementieren Energieeffizienzprogramme, um den Verbrauch und die Kosten zu senken.

Der Sektor Erneuerbare Energien konzentriert sich auf die Entwicklung, Installation und Nutzung von Technologien, die erneuerbare Energiequellen nutzen, wie beispielsweise Solarenergie, Windenergie, Wasserkraft, Biomasse und Geothermie.

Wireless IoT Technologien in der Energiebranche

  • BLE

    Bluetooth Low Energy (BLE) wird oft für die drahtlose Kommunikation zwischen Geräten verwendet. Beispielsweise zur Überwachung und Steuerung von Energiegeräten oder zur Lokalisierung von Assets in Energieanlagen.

  • LPWAN

    Mioty ist eine LPWAN-Technologie, die auch für Anwendungen in der Energie- und Versorgungsindustrie entwickelt wurde, um eine zuverlässige und robuste Übertragung großer Datenmengen über große Entfernungen zu ermöglichen.

    Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) ist ebenfalls eine LPWAN-Technologie, die für Übertragung von Daten über große Entfernungen bei niedrigem Energieverbrauch geeignet ist. Sie wird häufig für Smart Metering und zur Fernüberwachung von Energieinfrastruktur eingesetzt.

  • Sensorik

    Sensoren sind Hauptakteure in der Energiebranche. Sie werden eingesetzt, um beispielsweise Parameter wie Temperatur, Druck, Stromstärke, Spannung zu erfassen. Diese Daten werden zur Überwachung und Steuerung von energieerzeugenden Anlagen genutzt.

  • 5G / 6G

    Wie funktioniert 5G in der Energiewirtschaft? Die Einführung von 5G-Technologie bietet in der Energiewirtschaft Möglichkeiten für die Echtzeitüberwachung und -steuerung von Anlagen sowie für die Implementierung von fortgeschrittenen Technologien wie Augmented Reality für Wartung und Schulung.

Produkte für die Digitalisierung der Energiewirtschaft

In der Energiewirtschaft werden eine Vielzahl von Produkten und Technologien aktiv genutzt, um die Digitalisierung für Unternehmen voran zu treiben. Dazu gehören RFID-Schreib-/Lesegeräte, die verwendet werden, um RFID-Tags oder -Etiketten zu lesen und zu beschreiben, um Assets, Ausrüstungen oder Produkte zu identifizieren und zu verfolgen. Ebenso werden Bluetooth LE- oder LoRaWAN-Gateways eingesetzt, um drahtlose IoT-Geräte mit dem Internet oder einem zentralen Netzwerk zu verbinden, beispielsweise für die Vernetzung von Smart-Metering-Geräten oder Sensoren.

Scanner werden genutzt, um Barcodes, QR-Codes oder andere Identifikationscodes zu erfassen, was in der Energiewirtschaft beispielsweise für die Inventarisierung von Materialien oder die Verfolgung von Bestellungen relevant ist. Antennen werden eingesetzt, um die Reichweite und Leistung von drahtlosen Funksystemen zu verbessern, insbesondere in großen Anlagen oder schwierigen Umgebungen.
Kameras werden für die Überwachung von Anlagen, Sicherheitssystemen oder zur Erfassung von Bildern und Videos für Inspektionen und Schulungen verwendet. Etiketten und Transponder dienen dazu, Gegenstände, Geräte oder Produkte zu kennzeichnen und zu verfolgen, etwa zur Identifizierung von Assets oder um die Traceability von Komponenten zu ermöglichen.

Drucker erstellen Etiketten, Barcodes oder andere Kennzeichnungen, die in der Energiewirtschaft für die Kennzeichnung von Produkten, Versandetiketten oder Dokumenten verwendet werden. Tracker wiederum verfolgen die Position von Assets oder Fahrzeugen in Echtzeit, beispielsweise zur Überwachung von Fahrzeugflotten oder Transporten von Materialien.

Zusätzlich werden verschiedene Softwarelösungen eingesetzt, um Prozesse zu optimieren, Daten zu analysieren, Sicherheitssysteme zu verwalten oder die Effizienz von Anlagen zu verbessern. Zu den genannten Softwarelösungen zählen Asset-Management-Software, SCADA-Systeme (Supervisory Control and Data Acquisition) sowie Predictive-Maintenance-Plattformen.

Zahlen decken massive Problem auf!

Laut einer Studie der Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR) mit Sitz in Hannover, Deutschland, hat der weltweite Energieverbrauch trotz geopolitischer Krisen ein neues Rekordniveau erreicht. Obwohl sich der Anstieg des weltweiten Energieverbrauchs im Jahr 2022 auf +2,1 Prozent verlangsamt hat (+4,9 Prozent im Jahr 2021), liegt er immer noch über der durchschnittlichen Wachstumsrate der Jahre 2010 bis 2019 (+1,4 Prozent im Jahr). Asien, insbesondere Indien (+7,3 Prozent) und Indonesien (+21 Prozent), verzeichnet den stärksten Anstieg des Energieverbrauchs. Gründe hierfür sind das Wirtschaftswachstum und der stark zunehmende Einsatz von Klimaanlagen. Dies ist auf die sich erwärmende Umwelt zurückzuführen. Der Energieverbrauch in Europa ist das dritte Jahr in Folge gesunken, was auf Sparmaßnahmen der privaten Haushalte, den Krieg in der Ukraine und die Sanktionen gegen Russland, den zweitgrößten Erdgasproduzenten der Welt, zurückzuführen ist. Fazit: Der Energieverbrauch und die Nutzung fossiler Brennstoffe, mit Ausnahme von Erdgas, nehmen weiter zu.

Laut BGR stieg die weltweite Erdölförderung um 5 Prozent auf rund 4,4 Milliarden Tonnen. Auch die weltweite Förderung von Hartkohle stieg deutlich um 8 Prozent auf rund 7,5 Milliarden Tonnen. Dies war die mit Abstand die höchste globale Steigerungsrate der letzten zehn Jahre. Auch die weltweite Uranförderung nahm nach Jahren des Rückgangs um 1,2 Prozent zu. Der Handel mit verflüssigtem Erdgas (LNG) nahm unter anderem wegen des Lieferstopps der Nordstream-Pipeline nach Deutschland und in die EU deutlich um 60 Prozent zu.

Insgesamt betrachtet hat sich der durchschnittliche Pro Kopf Energieverbrauch in Kilowattstunden (kWh) in den vergangenen Jahren weiter erhöht und ist von knapp 18.000 im Jahr 2000 auf knapp 21.000 im Jahr 2021 gestiegen. Der Ländervergleich (2021) zeigt, dass der Energieverbrauch pro Kopf sehr unterschiedlich ist.

Somalia: 217 kWh | Indien: 7150 kWh | Deutschland: 41.0000 kWh | USA: 79.000 | Russland 55. 500 | Island: 166.000 kWh | Quatar 194.000 kWh

Ist das die Wende? Rekordausbau erneuerbarer Energien

Erneuerbare Energien verzeichneten 2022 weltweit einen Rekordzubau von 295 Gigawatt Leistung. 140 Gigawatt davon wurden allein in China installiert. Der Anteil von Wind- und Solarenergie an der Stromerzeugung stieg laut der unabhängigen Forschungsgesellschaft ‚Enerdata‘ stetig an und erreichte im Jahr 2022 einen Anteil von 12,2 Prozent am weltweiten Strommix. Die treibenden Kräfte sind auch weiterhin China, die USA und die EU.

Da der Klimawandel die Wasserstände in vielen Regionen weiter sinken lässt, wird die Nutzung der Wasserkraft nach Expertenmeinung auf niedrigem Niveau bleiben. Gleichzeitig wird in vielen Ländern die Wasserstoffproduktion ausgebaut, so dass mit weiteren dynamischen Entwicklungen zu rechnen ist.

Gegensatz: Dennoch stiegen die globalen energiebedingten weltweiten CO2 Emissionen in 2022 auf fast 37 Milliarden Tonnen. In 2000 lagen die weltweiten CO2 Emissionen bei 25 Milliarden Tonnen. Fossile Energieressourcen zu nutzen, heizt die Klimaerwärmung weiter an. Nach neuesten Erhebungen war 2023 das wärmste Jahr seit Beginn der Aufzeichnungen.

2. In der Praxis

Energiekosten sparen mit IoT?

In den vorangegangenen Abschnitten wurden zahlreiche globale Probleme und Herausforderungen im Zusammenhang mit der Energieversorgung aufgezeigt. Erstens muss die Energieversorgung bedarfsgerecht, flexibel, kosteneffizient und stabil sein. Zweitens müssen Energienetze digitalisiert werden, Sensordaten verfügbar sein, vorausschauende Planung ermöglicht werden und Systeme interoperabel agieren. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Echtzeitfähigkeit. Energieverbrauch und -bedarf sollen möglichst in Echtzeit sichtbar und steuerbar sein.

Hinsichtlich dieser Faktoren lassen sich zahlreiche Anwendungsfelder identifizieren.

In der digitalisierten Logistik werden beispielsweise Sensoren zur präzisen Messung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Belüftung eingesetzt, um den Transport von Gütern zu sichern und eine bedarfsgerechte Auslieferung zu ermöglichen. Gleichzeitig können Echtzeitdaten den genauen Standort von Gütern oder Fahrzeugen ermitteln, so dass Transport und Lagerung präzise gesteuert werden können. Das Ergebnis sind weniger Leerfahrten, ein geringerer Bedarf an Lagerflächen, pünktlichere Lieferungen und eine höhere Qualität der Waren. Auch die Lagerräume selbst können energetisch optimiert werden, wenn Belüftungstemperatur und Luftfeuchtigkeit optimal eingestellt und in Echtzeit überwacht werden.

In der Industrie ermöglichen drahtlose Sensoren eine vorausschauende Wartung und Instandhaltung, wodurch Maschinenausfälle reduziert und Prozesse besser geplant werden können. Dadurch können Ressourcen geschont und Lagerflächen reduziert werden. Im Verkehrsmanagement liegen die Potenziale in flexiblen Mobilitätskonzepten und bedarfsgerechten Beleuchtungskonzepten.

In der Industrie helfen vorausschauende Wartung, reibungslose Abläufe und KI-gestützte Berechnungen von Produktionsprozessen, Lagerflächen zu reduzieren.

In der Smart City geht es um intelligente Beleuchtungskonzepte, intelligente Gebäudemanagementsysteme und ein Verkehrsmanagement mit intelligenten Mobilitätskonzepten. Auch das Abfall- und Wassermanagement in Städten kann optimiert werden,

In Gebäuden wiederum können Gebäudeautomationssysteme helfen, Energie zu sparen, indem sie Heizung, Lüftung, Lichtbedarf und sogar die Belegung von Räumen überwachen und Heizung, Lüftung oder Kühlung bedarfsgerecht steuern. Sogar Wettervorhersagen können in diese Konzepte integriert werden. Alle Lösungen basieren auf Sensorik und der Kommunikation mit drahtlosen IT-Plattformen. Insgesamt verfolgen diese Lösungen das Ziel, Energie einzusparen, bedarfsgerecht einzusetzen und in Echtzeit zu reagieren und zu steuern.

Digitalisierung drosselt CO2-Emissionen

Die Integration digitaler Technologien kann entscheidend dazu beitragen, dass Deutschland seine Klimaziele bis 2030 erreicht. Laut der kürzlich veröffentlichten Bitkom-Studie „Klimaeffekte der Digitalisierung“ besteht das Potenzial, den jährlichen CO2-Ausstoß in Deutschland bis 2030 um rund 73 Millionen Tonnen zu senken, wenn die Digitalisierung zügig voranschreitet. Dabei handelt es sich um einen Nettogewinn. Berücksichtigt sind bereits die CO2-Emissionen, die durch den Einsatz von Technologien wie Rechenzentren und Endgeräten entstehen.

Die Digitalisierung kann fast ein Viertel der von Deutschland selbst gesteckten Klimaziele für 2030 ausmachen. Würde die Digitalisierung dagegen im bisherigen Tempo weitergehen und nicht beschleunigt, könnten bis 2030 immer noch rund 50 Millionen Tonnen CO2 eingespart werden – das entspricht 16 Prozent des Ziels.

Scatec nutzt OPC UA für Anlagen- und Datenmanagement

Scatec, ein Anbieter von Lösungen für erneuerbare Energien, verwendet PowerView, eine OPC UA-basierte Plug-and-Play-Lösung, um die Geräte in seinen Solarfeldern zu verwalten. Jedes Solarfeld hat viele verschiedene Arten von Geräten von verschiedenen Lieferanten. Dazu gehören beispielsweise Solarmodule, Gestellsysteme, Nachführsysteme, Batterien, Laderegler und Verkabelung. Daten werden von allen Geräten sowie von Umspannwerken, Sicherheitssystemen und Bodenwartungsprotokollen generiert.

Ein MAP-Gateway-System des Systemintegrators Prediktor wird eingesetzt, um alle Anlagendaten zusammenzuführen. Pro Sekunde werden mehr als 100.000 Datenpunkte empfangen. Die Daten werden standardisiert und mit Hilfe von KI-Algorithmen semantisch interpretiert. Die verschiedenen Datensignale der Solaranlage werden über das MAP-Gateway abgebildet und anschließend in das Supervisory Control and Data Acquisition System (SCADA) von Prediktor eingelesen. Dies dauert je nach Größe der Anlage zwischen drei und sechs Monaten. Das in den Solarfeldern installierte SCADA stellt den Betreibern Schnittstellen für den Anlagenbetrieb zur Verfügung. Damit wird die Interoperabilität zwischen den verschiedenen Geräten bzw. Anlagentypen hergestellt.

Von hier aus werden die Sensordaten aller Anlagen in das zentrale Asset Management System PowerView eingespeist. Dieses System verwendet OPC UA der OPC Foundation, um die Daten semantisch zu standardisieren und in einer einzigen „Asset“-Struktur zusammenzufassen. Für was ist OPC UA gut? Dies ermöglicht eine „Gruppenansicht“ des globalen Betriebs und der Leistung. Auf diese Weise sind die Betreiber in der Lage, standardisierte Datendarstellungen über die gesamte Anlagenflotte hinweg zu betrachten.

Prediktor treibt Standardisierung von OPC UA
Prediktor treibt OPC-UA-Standardisierung in der Solarenergie voran

„In einer Solaranlage werden pro Sekunde mehr als 100.000 Datenpunkte generiert.Wenn Sie kein System haben, das Ihnen hilft, herauszufinden, was Sie untersuchen müssen, und das Ihnen hilft, datengestützte Entscheidungen zu treffen, dann macht es keinen Sinn, so viele Daten zu sammeln.“

Thomas Pettersen

Vice President Operations Management, Prediktor

Logo Prediktor

Climeworks nutzt Sensortechnik zur Zustandsüberwachung

Climeworks, ein führendes Unternehmen im Bereich der direkten Luftsammlung (Direct Air Collection, DAC), setzt in seiner größten Anlage zur direkten Luftsammlung und -speicherung (Direct Air Collection + Storage, DAC+S) Orca, Sensortechnologie zur Erfassung von Prozessdaten ein. Die Anlage verfügt über acht Sammelbehälter mit einer Jahreskapazität von jeweils 500 Tonnen.

Mit Hilfe eines Adsorptions-/Desorptionsprozesses entzieht das installierte System der Luft dauerhaft Kohlendioxid (CO2) und speichert es unterirdisch. Dabei kommt ein einzigartiges Filtermaterial zum Einsatz. Das Systemdesign, das Filtermaterial und die installierte Hardware der Orca-Anlage wurden für die klimatischen Bedingungen in Island optimiert. Sowohl die Messwerte als auch der Zustand der Komponenten werden durch Sensoren überwacht. Diese messen beispielsweise Temperatur, Druck, Ventildaten, Wetterdaten, die Qualität des aufbereiteten CO2, den Energieverbrauch und die Funktionalität des Sorptionsmittels. Damit ist eine vorausschauende Wartung möglich.

Die Prozesssteuerung erfolgt von der Schweiz aus über eine Prozesssteuerungssoftware, zur Überwachung sind jedoch weiterhin Mitarbeiter vor Ort stationiert. Um die Prozesssteuerung vollständig aus der Ferne zu ermöglichen, wird der Datenkommunikationsstandard OPC UA der OPC Foundation getestet und in der nächsten Anlage implementiert. Insgesamt verfolgen diese Lösungen das Ziel, Energie einzusparen, bedarfsgerecht einzusetzen und in Echtzeit zu reagieren und zu steuern.

„Zwei Bedingungen sind für den erfolgreichen Einsatz der DAC+S Technologie entscheidend. Die erste ist die Energiequelle. Die Anlage sollte ausschließlich mit erneuerbaren Energien betrieben werden, um eine bessere Klimabilanz zu erreichen. Die zweite ist die Speichermöglichkeit. Nur in einer Umgebung mit speziellen Gesteinsschichten löst das CO2 eine chemische Reaktion aus und kristallisiert zu Karbonat.“

Nathalie Casas

Head of Technology, Climeworks

Logo Climeworks

Mit Galliumnitrid-Funkmodulen zu 6G

Im Rahmen des Projekts „Towards Zero Power Electronics“ des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF wurden zwei Varianten von Galliumnitrid-Funkmodulen entwickelt – das Galliumnitrid-auf-Siliziumkarbid-Funkmodul und das Galliumnitrid-auf-Silizium-Funkmodul. Diese Module ermöglichen Energieeinsparungen für die IoT-Nutzung und eine energieeffiziente Kommunikation. Der Wirkungsgrad im Betrieb bei 26 GHz konnte von 10 auf 30 Prozent gesteigert werden. Mit Galliumnitrid kann die für die 6G-Mobilkommunikation erforderliche Effizienz und Leistung bereitgestellt werden. Am Fraunhofer IAF wurde zusammen mit Partnern die weltweit erste Übertragungsleistung von 100 Gbit/s über eine Freifeldstrecke von 500 Metern erreicht.

Weitere Artikel im Bereich der Energiewirtschaft

3. Panorama

Akteure und Entscheider müssen sich einig sein!

Die größte Herausforderung bei der Bewältigung der Probleme im Energiesektor besteht darin, einen Konsens zwischen allen Entscheidungsträgern und Akteuren zu erreichen. Die Zahlen im ersten Abschnitt haben bereits gezeigt, dass die Länder der Welt sehr unterschiedliche Kennzahlen in Bezug auf Energieverbrauch, Energieproduktion, Produktion erneuerbarer Energien und den Willen zur CO2-Reduktion aufweisen.

Diese Diskrepanz zwischen Umweltkrise einerseits und der Bereitschaft, Prozesse nachhaltig zu verändern, ist jedoch nicht nur ein globales Problem. Auch innerhalb eines Landes oder einer Stadt wird der Energiesektor sehr unterschiedlich behandelt. So erlassen Verwaltungen Gesetze und Verordnungen, die aus Sicht der Wirtschaft nicht praktikabel sind und damit den Wirtschaftsstandort des Landes beeinträchtigen. Auf der anderen Seite sind die Verwaltungen selbst oft nur schwer davon zu überzeugen, innovative neue Konzepte umzusetzen. Die Entscheidungswege sind lang und schwerfällig.

Trotz dieser großen Herausforderungen werden immer mehr Wireless IoT-Projekte umgesetzt, insbesondere im Bereich der Energieverteilung und Verbrauchsüberwachung in der Smart City. Das Ergebnis: Kommunen und Städte profitieren von sinkenden Energiekosten, Privathaushalte können ihr Verbrauchsverhalten an die Echtzeitdaten ihrer Smart Meter anpassen und auch Gewerbebetriebe profitieren von energieeffizienten Konzepten. Fakt ist: Umweltprobleme lösen sich nicht von selbst. Weltweit arbeiten Forscher an der Entwicklung energiesparender Systeme und Technologien, um die Ressource Energie zu schonen.

Spezialisierte Partner für intelligente Energielösungen

Kontaktieren Sie uns und erhalten Sie eine maßgeschneiderte Antwort!

Ihre Nachricht wurde erfolgreich versendet!

Vielen Dank für Ihre Anfrage. Wir melden uns in Kürze bei Ihnen!

Oops!

Etwas ist schiefgelaufen. Bitte versuchen Sie es später noch einmal.

In Bearbeitung!

Vielen Dank für Ihre Nachricht. Wir werden Ihre Informationen umgehend bearbeiten.

Bevorstehende Events

WIoT tomorrow 2024

Internationale Ausstellung | Summit

Datum

23. - 24.

Oktober 2024

Ort

Wiesbaden,

Deutschland

Think WIoT Day 28. August

Livestream zum Gesundheitswesen

Datum

28. August

Ort

Online