Kommunikationssysteme für Energiegemeinschaften

Energiegemeinschaften können stark in ihrer betrieblichen Komplexität variieren. Die Umsetzung von Energiegemeinschaften, die über den reinen Zweck des gemeinschaftlichen Betriebs von Kraftwerken hinaus geht, wird erst durch den Einsatz moderner Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) ermöglicht.

Allgemeines

Für den Betrieb einer Energiegemeinschaft müssen Daten zwischen den Beteiligten und dem Betreiber ausgetauscht werden, beispielsweise zur Abrechnung von gehandelter bzw. erzeugter Energie oder zur Steuerung flexibler Verbraucher. Ob das während des Betriebs notwendig ist, oder auf einer periodischen Abrechnungsmessung basieren kann, entscheiden der Zweck der Energiegemeinschaft sowie die Anforderungen der Beteiligten.

Zur Abrechnung der zwischen Energiegemeinschaftsbeteiligten gehandelten Energien, müssen die tatsächlich ausgetauschten Energiemengen während des Betriebs laufend gemessen und verifiziert werden. Ist eine Messung von Energieverbrauch und -produktion zusammen mit dem jeweiligen Zeitpunkt notwendig, werden komplexe Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT)-Systeme notwendig. Meist wird ein dezidiertes Kommunikationssystem für den Austausch von Daten benötigt. Je nach Zweck der Energiegemeinschaft und den Technologien, die zum Einsatz kommen, muss mit Hilfe unterschiedlicher Geräte automatisiert kommuniziert werden. Um zum Beispiel die flexible Nutzung eines Speichers für die Energiegemeinschaft zu bewerkstelligen, müssen sowohl periodische Datenabfragen als auch Kontrolleingriffe implementiert, getestet und gewartet werden.

Weiters sind intelligente Stromzähler-Systeme (Smart Meter) essenziell, um Informationen über Verbrauchs- und Erzeugungsmessungen einzelner Teilnehmer in das System einbringen zu können und so zum Beispiel eine Abrechnung von innerhalb der Gemeinschaft gehandelter Energie zu ermöglichen. Diese Schnittstellen und Abfragen müssen ebenfalls betreut werden, um die Richtigkeit der Daten gewährleisten zu können.

Funktionsweise von IKT-Systemen

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten ein Kommunikationssystem für eine Energiegemeinschaft aufzusetzen, wobei es noch keine standardisierte IKT-Architektur existiert, die alle möglichen Anforderungen einer Energiegemeinschaft erfüllt. In den meisten Fällen wird eine Beauftragung von einem spezialisierten Unternehmen notwendig sein, das das notwendige Knowhow mitbringt, um das System aufzusetzen und im Problemfall zu betreuen. Grundsätzlich besteht ein IKT-System aus zwei Grundbausteinen:

  • Datenübertragungsweg(e) und
  • Schnittstellen

Bei den Datenübertragungswegen ist es wichtig, dass die Übertragung sicher und die Daten vollständig übermittelt werden. Schnittstellen sind für die Verbindung unterschiedlichen Geräte und Systeme innerhalb der Energiegemeinschaft notwendig. Obwohl es keine standardisierte IKT-Architektur für Energiegemeinschaften gibt, sind Teile des IKT-Systems, wie Schnittstellen und Übertragungsprotokolle sehr wohl standardisiert. Aus unterschiedlichen Anwendungsbereichen gibt es eigene Protokollfamilien und für bestimmte Gerätearten, wie beispielsweise Smart-Meter oder Batteriesysteme, gibt es standardisierte Schnittstellen.

Wenn mehrere Systeme mit gleichem Zweck für die Gemeinschaft in das System integriert werden sollen ist es von Vorteil, wenn jedes dieser Systeme über die gleiche standardisierte Schnittstelle angesprochen werden kann. Zum Beispiel sollten alle Smart-Meter zur Datenerfassung für die Abrechnung dieselbe Schnittstelle unterstützen. Dadurch lasst sich die Anzahl an verschiedenen Schnittstellen reduzieren, die implementiert und gewartet werden müssen, wodurch die Komplexität des Gesamtsystems verringert wird. Ein weniger komplexes System ist deutlich einfacher aufzusetzen und zu betreuen.

Kommunikations-Standards

Standardisierte Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle haben den Vorteil, dass sie meist in Zusammenarbeit mehrerer wichtiger Unternehmen eines Bereichs entstehen und man sich durch ihre Verwendung nicht an einen bestimmten Hersteller bindet. Das erleichtert die Integration von Geräten unterschiedlicher Hersteller und die Betreuung des Systems. Im Energiebereich gibt es mehrere Standards, die die Kommunikation mit verteilten Energiesystemen und Messsystemen behandeln.

Im Bereich der Datenübertragung:

  • MQTT (Message Queue Telemetry Transport): stammt aus dem Bereich Internet of Things.
  • OPC UA (Open Platform Communications – Unified Architecture auch IEC 62541 genannt): ist häufig bei Industrieunternehmen zur Prozessautomatisierung im Einsatz.
  • IEC 60870-5-104: eine Internetprotokoll-basierte Kommunikation zwischen Endpunkten, wird öfters in der Automatisierung verwendet.

Im Bereich der Energieerzeugung ist insbesondere der Standard IEC 61850 hervorzuheben:

  • Stammt aus dem Bereich der Verteilnetzautomatisierung.
  • Geeignet für Services zwischen Energiegemeinschaften und Netzbetreiber.
  • Bietet Datenmodelle für die häufigsten Energiesysteme (z.B. PV-Anlagen oder Blockheizkraftwerke).
  • Beinhaltet das Kommunikationsprotokoll GOOSE (Generic Object Oriented Substation Events), wodurch die Datenübertragung in Echtzeit ermöglicht wird.

Für Smart-Meter gibt es häufig eine M-Bus Schnittstelle die das Auslesen der Daten für den Nutzer oder Dritte ermöglicht. Diese M-Bus Schnittstelle ist Teil des IEC 62056, der den generellen Datenaustausch mit intelligenten Messsystemen behandelt. Durch die Einbindung von Zählern über eine solche standardisierte Schnittstelle können mit großer Wahrscheinlichkeit eine Vielzahl unterschiedlicher Zähler von unterschiedlichen Herstellern in ein IKT-System integriert werden.

Cybersicherheit

Für alle Kommunikationssysteme gilt, dass für ihre Sicherheit mehrere Faktoren beachtet werden müssen. Der internationale Standard IEC 62351 beschreibt, wie mit Cybersicherheit im Bereich der Energiemanagementsysteme und damit auch im Bereich der Energiegemeinschaften umgegangen werden sollte. Wenn ein Energiegemeinschaftssystem alle in diesem Standard beschriebenen Anforderungen erfüllt, kann davon ausgegangen werden, dass es gegenüber aktuellen Gefahren, wie beispielsweise Diebstahl von personenbezogenen Daten oder Angriffe auf das Netzwerk, die den Betrieb der Energiegemeinschaft beeinträchtigen, ausreichend sicher ist. Folgende vier Bereiche sind im Bereich Cybersicherheit von größter Bedeutung:

  • Integrität: Daten werden vollständig und unverändert weitergegeben. Dieser Umstand ist im Umgang mit kritischer Infrastruktur, wie der Energieversorgung, von großer Bedeutung. Sollte ein Angreifer das Kommunikationsnetzwerk der EG beeinträchtigen und falsche Messdaten an SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) oder andere Steuerungssysteme weitergeben, kann es zu einer Fehlregelung und im schlimmsten Fall zu Schäden an Energiegemeinschaftsinfrastruktur und Geräten von Energiegemeinschaftsteilnehmer*innen kommen.
  • Vertraulichkeit: Daten müssen vor Zugriff durch Fremde geschützt werden. Um den Datenschutz zu wahren und generell die personenbezogenen Daten des Energieverbrauchs und andere sensible Daten zu schützen, muss bei der Implementierung ein besonderes Augenmerk auf die Vertraulichkeit der Daten gelegt werden. Eine Fehlbehandlung oder Veröffentlichung von Daten könnte zum Vertrauensverlust der Teilnehmer*innen in die Energiegemeinschaft führen. Aus diesem Grund sollten bei der Übermittlung von vertraulichen Daten ausreichende kryptographische Maßnahmen gesetzt werden, um die Lesbarkeit der Daten durch Dritte zu verhindern.
  • Verfügbarkeit: Kommunikation mit Komponenten ist ständig verfügbar und Funktionen der Komponenten können ohne Unterbrechung genutzt werden.
  • Authentizität: Aussagen einer Komponente über ihre Identität und ihre tatsächliche Identität stimmen überein. Im Falle der Behandlung von Abrechnungsdaten innerhalb der EG muss die Authentizität der Quelle dieser Abrechnungsdaten zweifelsfrei gesichert sein. Im Fall einer fälschlichen Datenübermittlung durch Dritte muss diese erkannt und die Daten verworfen werden. Nur authentifizierte Anwendungen können Daten an Steuerungs- oder Datenakquisitionsanwendungen übermitteln und diese werden im System übernommen. Im Falle von Datensicherung auf Basis von Blockchain-Technologie, die mittels kryptographischer Methoden aneinander folgende Datenbankeinträge verbindet um unbemerkte nachträgliche Veränderung der Daten zu verhindern, lassen sich beeinträchtigte Daten, sobald sie einmal in das System aufgenommen worden sind, nicht mehr einfach entfernen. Deswegen muss bei solchen Systemen besonders auf die Authentizität von Daten geachtet werden.

Unsere Empfehlung

Bei Kommunikationssystemen für Energiegemeinschaften handelt es sich um sehr komplexe Systeme mit vielen unterschiedlichen Bestandteilen. Damit ein solches IKT-System den aktuellen Sicherheitsanforderungen entspricht sind mehrere Aspekte zu beachten. Je nach Zweck und Voraussetzungen sind die Anforderungen an das IKT-System sehr unterschiedlich, dementsprechend gibt es keine allgemeingültige IKT-Architektur für Energiegemeinschaften.

In den meisten Fällen ist es empfehlenswert, ein spezialisiertes Unternehmen für die Instandsetzung und Wartung des IKT-Systems zu beauftragen, damit die individuellen Herausforderungen der Energiegemeinschaft optimal gelöst werden können.