Teil 2: Die Vision einer digitalisierten Energiewelt

Die digitale Revolution des Energiemarktes

Mark Zimmermann weist mehrere Jahre Erfahrung in den Bereichen Mobile Sicherheit, Mobile Lösungserstellung, Digitalisierung und Wearables auf. Er versteht es diese Themen aus unterschiedlichsten Blickwinkeln für unternehmensspezifische Herausforderungen darzustellen. Hierzu ist er auf nationale Vorträgen und als freier Autor für Fachpublikationen tätig.
In diesem Teil der Artikelserie gibt der Autor Denkanstöße, wie das Internet der Dinge, Big Data und -Analytics, aber auch mobile Endgeräte neue Geschäfsmodelle ermöglichen.
Das Generieren und die Verteilung von Energie könnte künftig auf zusätzlichen neuen Wegen möglich werden.
Das Generieren und die Verteilung von Energie könnte künftig auf zusätzlichen neuen Wegen möglich werden.
Foto: Thorsten Schier - Fotolia.com

In Teil 1 dieser Artikelserie wurde bereits der Status Quo der Energiebetreiber und die Herausforderungen, die an die Netzbetreiber gestellt werden, erörtert.

IT als Wegweiser der dezentralen Verteilung

Wenn die Aussicht auf neue Claims gering ist, muss die Verteilung der vorhandenen in den Fokus rücken." Im Energiesektor tritt zusätzlich die Regulierungsbehörde auf den Plan, sie nimmt Einfluss auf die Erträge, indem sie die Art und Weise, mit der die Stromprodukte im Energiemarkt gehandelt werden, vorschreibt und kontrolliert.

Intelligente Stromnetze, so genannte Smart Grids, sind ein wichtiger Kernbestandteil der Energiewende. Die verschiedenen erneuerbaren Energiequellen fügen sich nicht in die bisherige Verteilstruktur ein, da sie Energie an bisher nicht dafür vorgesehenen Orten erzeugen beziehungsweise die Einspeisung fluktuiert.

Bislang konnten die EVUs das Energieangebot und die -nachfrage aufgrund von jahrelangen Erfahrungswerten über Bedarf und Verbrauch in ein Gleichgewicht bringen. Erzeugungsanlagen mit geringen Anlaufzeiten wie etwa Gasturbinenkraftwerke wurden bedarfsgerecht zu- und abgeschaltet, um Lastspitzen abzufedern. Die Grundlast lieferten oft Kern- und Kohlekraftwerke. Zudem folgte die Stromlieferung immer vom Erzeuger über die Transport- und Verteilnetze zum Verbraucher. In der IT ist dies mit dem Prinzip eines Content-Distribution-Download-Netzwerks vergleichbar.

Dieses Prinzip des Strom(verteil)netzes funktioniert mit erneuerbaren Energiequellen nicht mehr ausreichend. So fließt etwa der auf den Dächern gewonnene Strom entgegen der eigentlich vorgesehenen Richtung durch das Transport(Verteil-)netz. Die Anlagen erzeugen zunehmend an Stellen Strom, wo entweder leistungsstarke Trassen fehlen, zum Beispiel offshore und/oder keine Verbraucher angesiedelt sind. Hier fließt die Energie somit zwischen Erzeuger, Verbraucher und Speichersystemen in allen erdenklichen Kombinationen und Richtungen (siehe Abbildung 2). Das neue Energienetz gleicht daher dem Internet mit seinen unzähligen Knoten und wechselnden Transportwegen, es wird zur Up- und Download-Infrastruktur.

Abb. 2: Stromnetz im Wandel: Energie fließt zunehmend zwischen Erzeuger, Transport- und Verteilnetz, Verbraucher und Speichersystemen in allen erdenklichen Kombinationen und Richtungen
Abb. 2: Stromnetz im Wandel: Energie fließt zunehmend zwischen Erzeuger, Transport- und Verteilnetz, Verbraucher und Speichersystemen in allen erdenklichen Kombinationen und Richtungen
Foto: Mark Zimmermann

In Zeiten der Energiewende rücken daher die auf die traditionellen Erzeugungsanlagen gestützten Geschäftsmodelle in den Hintergrund, um dezentralen Anlagen Platz zu machen. Zusätzlich führt auch die Energieerzeugung aus Sonne und Wind zu höheren Fluktuationen im Stromnetz. Die Sicherstellung der Netzstabilität ist dabei den Netzversorgen auferlegt. Neben der Erzeugung von Strom wird somit auch die potenzielle Flexibilität im Abruf von Strom zu einem ökonomisch handelbaren Gut. Die Steuerung der Energieflüsse wird somit mehr und mehr zu einer enormen Aufgabe, die nur unter verstärktem und effizienterem Einsatz von IT zu bewältigen ist.

Gilt bei vielen EVUs die Nutzung von sogenannten virtuellen Kraftwerken, also von einem dezentralen Verbund von Erzeugungsanlagen wie Blockheizkraftwerke und Nachtspeicheröfen zu einem großen "virtuellen Kraftwerk", so ist dies nur die eine Seite der Medaille. Messdaten liefern Angaben über Zustand, Auslastung und Kapazität der kleinen Systeme sowie der gesamten virtuellen Anlage.

Auf der anderen Seite steht das Flexibilitätspotenzial in der Stromabnahme, um eine schwankende Stromerzeugung auszugleichen. Es wird in der Industrie seit Jahrzehnten als Lastmanagement praktiziert und liegt in möglichen, dezentralen Steuersignalen für zum Beispiel Druckluftspeicher, Wasserpumpen oder anderen industriellen Prozessen. Die Verbindung dieser beiden Themenfelder durch intelligente IT-Systeme wird als Demand-Response-Management bezeichnet. Unternehmen, die sich hier anschließen, können einerseits durch Lastmanagement mit übergeordneten energiewirtschaftlichen Zielen an den Erlösen aus der Teilnahme am Energie- und Regelenergiemarkt partizipieren und andererseits zusätzlich Preisspitzen in der Energieabnahme abfedern.

Diese gesamtheitliche Betrachtung ergibt Sinn aufgrund der sogenannten Residuallast im Stromnetz. Die Residuallast ist die "Last", die nach Abzug der (bevorzugten) Einspeisung aus erneuerbaren Energien und wärmegeführten Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) durch konventionelle Kraftwerke gedeckt werden muss (siehe Abbildung 3). Sowohl die Steuerung als auch die Verarbeitung und Erhebung von notwendigen Messpunkten durch Aktoren und Sensoren stellt die IT vor große Herausforderungen.

Abb. 3: Schametische Darstellung Residuallast
Abb. 3: Schametische Darstellung Residuallast
Foto: Mark Zimmermann

Die Digitalisierung bis zum Endverbraucher

Die Idee des Smart Grid basiert auf der Annahme, den Kunden durch hohe oder niedrige Strompreise zu motivieren, sein Verbrauchsverhalten an die wetterabhängige Erzeugungslage anzupassen. Diese Preisanpassungen haben zum Ziel, das Stromnetz stabil zu halten. Beispiele dafür sind flexible Preismodelle mit stundengenauen Tarifen. In Zukunft wird sich das Smart Grid bis in die Haushalte, Büros und Unternehmen erstrecken. Eine wichtige Komponente wird der digitale Stromzähler beziehungsweise das Smart Meter sein, wobei der Begriff streng genommen auch die intelligente Messung des Gas- und Wasserverbrauchs umfasst.

Überträgt man den zur Netzsteuerung in der Energiebranche üblichen 15-Minuten-Takt auf die Smart Meter-Erhebung, müssten die EVUs künftig mehrere tausend Datensätze pro Jahr und Konsument verarbeiten. So wird man in Zukunft mit noch kürzeren Tariftakten weitere Daten aus dem Stromverbrauch ermitteln können. Die heutigen IT-Systeme vieler EVUs sind auf diesen Umfang der Massendatenverarbeitung nicht vorbereitet. Auch haben die EVUs oft nicht die Kompetenzen, diese Daten systematisch zu analysieren, oder nicht die notwendige Unternehmenskultur, auch datengetriebene Entscheidungen zu treffen.

Im Mobilitätssektor lockt die Idee, dass Millionen Fahrzeuge durch bidirektionales Laden wie eine große Batterie aggieren könnten. Dieses Szenario obstruiert das Smart-Grid-Modell jedoch zusätzlich. Der Besitzer eines Elektroautos müsste also motiviert werden, das Smart Grid über seine beabsichtigte Fahrleistung zu informieren, um errechnen zu können, welcher Teil der Speicherkapazität seines E-Autos für die Netzstabilität nutzbar wäre. Ein finanzieller Anreiz, der den Elektromobilisten bei für die Offshore-Windparks günstiger Wetterlage (niedriger Strompreis) zum Laden und bei Bewölkung mit Flaute (höherer Strompreis) zur teilweisen Bereitstellung seines Ladestroms anregte, ist dafür die Voraussetzung.

Der durchschnittliche Verbraucher ist in der Regel preissensibel. Nur über attraktive Preismodelle mit Echtzeittarifen wäre eine effektive Lastverschiebung durch Änderung des Kundenverhaltens im großen Maßstab möglich. Um diese umzusetzen, wäre eine Echtzeitkommunikation auf der Basis leistungsfähiger IT-Infrastruktur die notwendige Voraussetzung.

Trotz aller ungelösten Fragen und Herausforderungen geht McKinsey davon aus, dass Smart Grids schon sehr bald zu einer 50-prozentigen Effizienzsteigerung der Stromnetze führen werden und fossile Energieträger dabei eine immer geringere Rolle spielen werden.

Ein Wunschtraum? Von unterwegs aus wird die Waschmaschine über eine Smartphone-App aufgefordert das Waschprogramm zu starten. Die Waschmaschine meldet zurück: "Es wäre besser, das Programm erst ein 2 Stunden zu starten, denn da beginnt heute die niedrige Strompreisphase. Wollen Sie trotzdem sofort starten?"
Ein Wunschtraum? Von unterwegs aus wird die Waschmaschine über eine Smartphone-App aufgefordert das Waschprogramm zu starten. Die Waschmaschine meldet zurück: "Es wäre besser, das Programm erst ein 2 Stunden zu starten, denn da beginnt heute die niedrige Strompreisphase. Wollen Sie trotzdem sofort starten?"
Foto: Chesky / shutterstock.com

Neben den erwähnten Smart Grids sind ebenfalls seit geraumer Zeit Smart Homes in aller Munde. Es ist meine Überzeugung, dass diese den Immobilienmarkt in den kommenden Jahren massiv verändern werden. Die hier zunehmend angebotene Intelligenz verspricht Bequemlichkeit, Komfort und Sicherheit durch kluge Helfer in den eigenen vier Wänden: "Intelligentes" Licht, Klima und Sicherheitseinrichtungen bieten dem technisch interessierten Bürger verschiedene, leider jedoch noch sehr komplizierte und überwiegend untereinander inkompatible Lösungen an. Möglich wird dies durch Embedded Systems, also mikroelektronische Systeme, die über eine eigene Rechenfähigkeit, Sensorik und Aktorik verfügen.

Durch das Aufkommen von Lösungen, die gegenwärtig noch überwiegend aus dem amerikanischen Raum kommen, zeichnen sich mutmaßliche Änderungen ab: Die Systeme passen sich immer mehr an die Nutzungsweisen und ökologischen Bedürfnisse der Bewohner an. Die Steuerung erfolgt dabei durch benutzerfreundliche Interfaces oder gar in semantischer Form, etwa durch die Eingabe per Stimme und Spracherkennung. Egal ob Apple HomeKit oder Google Nest, das Zusammenspiel aus Aktoren und Sensoren im Haus wird durch intelligente (Cloud-)Dienste ermöglicht. Die Sicherstellung sowohl von IT-Security als auch Datenschutz führt dabei zu Vertrauen und Markenbindung. Die bisherige Wahrnehmung von EVUs mit dem Image: sicher, vertrauensvoll und prüfend, kann hier eine marktentscheidende Chance sein.

Insgesamt hängt Cloud Computing jedoch nicht zwingend nur mit der Digitalisierung zusammen. Auch die Flexibilisierung von Arbeitslasten zum Beispiel für die monatliche Berechnungen und Jahresabrechnung können zu einer Kosteneinsparung durch Cloud-Einsatz führen. Der Vorteil aus dem Besitz eigener Rechenzentren löst sich durch die extrem niedrigen Kosten von Cloud-Lösungen auf.

So erwarten beispielsweise die Berater von Deloitte, dass bis 2017 in Europa allein 1,6 Milliarden Euro in Smart-Home-Lösungen investiert werden. Da ist es verständlich, dass beinahe wöchentlich neue Anbieter aus dem Boden schießen, um ein Stück vom Kuchen zu bekommen.

In Anbetracht dieser Entwicklungen müssen sich EVUs sowohl mit eigenen Lösungen positionieren als auch mit den Partnern zusammenarbeiten, die bereits Know-how in diesem Bereich besitzen, um die Kundenbeziehung nicht an die internationalen IT-Konzerne wie Google, Amazon und Apple zu verlieren. Áuf Grundlage ihrer energiewirtschaftlichen Kompetenz sind Geschäftsmodelle denkbar, bei denen die EVUs IT-Konzernen mittels ihrer Daten - zum Beispiel Ermittlung eines intelligenten Vorheizzeitpunktes für eine Heizung - die Chance geben, einen Mehrwert generieren zu können.

Interkonnektivität des Energie- und Verkehrssektors

Die Energiewende sowie bestehende Umweltvorgaben in Verbindung mit der Digitalisierung haben eine bahnbrechende Auswirkung sowohl auf die Mobilitäts- und Infrastrukturaufgaben der Städte, Länder und Kommunen als auch auf die EVUs. Die aktuell anzutreffende Infrastruktur ist nicht für diese Effekte zukunftsorientierter Städte und Kommunen ausgelegt.

Das heutige Infrastrukturbild des Verkehrssektors ist beispielsweise geprägt von geschlossenen Ladeinfrastrukturen, bei denen quasi erst eine Mitgliedschaft erworben werden muss. In vielen Regionen ist eine Ladeinfrastruktur nicht einmal in ausreichender Menge vorhanden. So ist es verständlich, dass auch dies dazu beiträgt, dass die Elektromobilitätsziele der Bundesregierung nicht erreicht werden können.

Die Kunst liegt nun darin, die bestehende Infrastruktur kostengünstig, effizient und auf die Zukunft ausgerichtet umzurüsten. So existiert beispielsweise das SM!GHT-Konzept, das mit innovativen Technologien und Services die bestehende Straßenbeleuchtung ersetzt beziehungsweise ergänzt und so die Region als eigenständigen Lebens- und Wirtschaftsraum fördert. Damit wird aus der als notwendig empfundenen Muss-Infrastruktur des Straßenbeleuchtungsnetzes eine Basisinfrastruktur für Kommunikation und Information (siehe Abbildung 4). Modulare Nutzungen etablierter Techniken wie Public-WLAN, Umweltsensorik, Verkehrsleittechnik, Bewegungssensorik und E-Ladepunkte erweitern derartige Konzepte und schaffen die Basis für neue Lösungen für Bürger und Unternehmen.

Abb. 4: SM!GHT steht für Smart.City.Light
Abb. 4: SM!GHT steht für Smart.City.Light
Foto: EnBW AG

Kontextsensitivität in Supportprozessen

Wenn Ressourcen immer knapper und somit teurer werden, ist es unerlässlich, Prozesse in Gang zu setzen, die um ein Vielfaches intelligenter und damit effizienter ablaufen als bisher. Gerade im Außendiensteinsatz von Monteuren in Erzeugungsanlagen ist die Steuerung der Abläufe vor Ort auf die Unterstützung durch kontextbezogene Supportinformationen angewiesen oder sogar durch Automatisierungen zu prüfen.
Erhobene Echtzeitdaten können, durch Algorithmen definiert, die Zukunft abschätzen helfen. Nach Erhebung der Daten können zum Beispiel Mängel an Windparkanlagen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit vorausgesagt werden. Einsatzkräfte können so zielgerichtet zur Wartung geschickt werden, bevor der Defekt eintritt. Der Aufbau dieses kalkulierbaren Wissens fällt ebenfalls in den Bereich Big Data und -Analytics.

Big Data bedeutet dabei aber weit mehr als nur das Sammeln großer Datenmengen, denn es kann selbstverständlich nicht darauf ankommen, mit seiner IT die größten Daten(-leichen-)berge zu sammeln. Vielmehr besteht das lohnende Ziel darin, durch die Anwendung moderner Prognosealgorithmen und automatisierter Entscheidungsfindung auf die aus vielen verschiedenen und vor allem heterogenen Quellen bezogenen Daten an dieses vorhersehbare Wissen zu gelangen. Anschließend lässt es sich - um am Beispiel der EVUs zu bleiben - als netznahe Dienstleistungen für andere kommerzielle, aber auch private Betreiber von Erzeugungsanlagen unter Beachtung von Datenschutz und Kundenvertrauen vermarkten.

Im "Power Diagnostics Center" in Mülheim an der Ruhr kontrollieren Experten von Siemens die Sensordaten von Gas- und Dampfturbinen-Kraftwerken in aller Welt. Sie sehen die virtuellen Messdaten vieler Anlagen, stellen Korrelationen her, analysieren Muster und verhindern proaktiv, dass ein Alarm ausgelöst wird. Kurz: Sie machen Smart Data aus Big Data und sorgen dafür, dass die Verfügbarkeit der Anlagen steigt.

Diese Beispiele zeigen exemplarisch, dass zugleich mit der Erschließung neuer Erlösquellen eine Kostenreduktion durch Einsatzoptimierung im eigenen Haus möglich ist. Gerade dann, wenn diese Kostenreduktion am regulatorischen Markt auch entsprechend Anerkennung findet, kann davon ausgegangen werden, dass die EVUs dies aufgreifen werden.

Kollektive Intelligenz der Konsumenten

Oftmals wird bei den anstehenden Herausforderungen der Digitalisierung das Crowdsourcing als unterschätzten Faktor betrachtet. Wenn ein Unternehmen externe Firmen mit ursprünglich intern verrichteten Tätigkeiten beauftragt, heißt das Outsourcing. Ist der Auftragnehmer die allgemeine Öffentlichkeit oder der Konsument des Unternehmens ("Crowd"), so wird daraus "Crowdsourcing". Crowdsourcing stellt damit eine neue Form der Mitarbeit dar und beschreibt die Nutzbarmachung von Ideen und Arbeitskraft der Crowd für die Optimierung beziehungsweise Erstellung eigener Produkte. Dabei erhält die Crowd in vielen Fällen auch eine Art Entlohnung, zum Beispiel in Form von Sachpreisen, Vergünstigungen oder Ähnlichem.

Eine solche Arbeitsleistung kann sowohl bewusst als auch unbewusst erfolgen: Beispielsweise nutzt der Hauptbahnhof in Stockholm die Körperwärme der täglich 250.000 Besucher, um ein Gebäude auf der gegenüberliegenden Straßenseite zu heizen. Durch Ventilationssysteme wird Körperwärme zur Wassererhitzung genutzt. Ein weiteres Beispiel stellt "PowerLEAP" dar. Hier wird die Bewegungsenergie von Bodenplatten genutzt, um Ticketschranken bei öffentlichen Verkehrsmitteln mit Energie zu versorgen.

Gerade als eine kosteneffektive Ideenfindungsmethode bietet sich das Crowdsourcing an. Die Öffnung von Innovationsprozessen für Gruppen außerhalb der eigenen Unternehmensgrenzen wird auch als das Prinzip "Open Innovation" bezeichnet. Hier können EVUs viel von bisherigen Konzepten lernen. So hat beispielsweise die Firma Dell sich mit der Open Innovation-Plattform "Dell Idea Storms" der Internet-Community geöffnet. Der Dialog steht dabei im Mittelpunkt. So lädt die Plattform unter anderem zu "Storming Sessions" ein, bei denen Dell verschiedene Themen vorgibt und die Konsumenten um ihre konkreten Ideen bittet.

Die Energiewende - eines der größten IT Projekte

Die Digitalisierung ist eine (r)evolutionäre Veränderung unserer Arbeits- und Lebenswelt und betrifft die gesamte Wertschöpfungskette. Sie erlaubt durch Netzwerk- und Skaleneffekte kosteneffiziente Wertschöpfungsprozesse und ist damit der aktuell wichtigste Innovationsmotor und Impulsgeber im Konkurrenzkampf um künftige Kundensegmente. Industrialisierte Volkswirtschaften wie Deutschland haben den Vorteil, schon Produkte herzustellen, die sich mit der richtigen Strategie zu intelligenten Plattformen und somit zu neuen Dienstleistungen und Geschäftsmodellen entwickeln können.

Um dem Wandel der Digitalisierung effektiv zu begegnen, müssen die EVUs ihre zum größten Teil monolithisch geprägten IT-Infrastrukturen und die darin ausgeprägten Geschäftsprozesse Erzeugung, Handel und Beschaffung, Übertragung undVerteilung sowie Vertrieb, überdenken und erweitern. Die im Energiesektor vorherrschenden, umfassenden und zentralen Mainframe-Anwendungen müssen für neue digitale und agile Serviceerbringung geöffnet werden. Voraussetzung hierfür ist eine tiefgreifende technologische, wie auch in den Denkmustern vollzogene Adaption.

Viele verwendete Softwareprodukte müssen sich den neuen Cloud- und Mobile-Strategien anpassen. Die Verwendung von standardisierten IT-Services über ein zentrales API-Verzeichnis ermöglicht es zukünftig auch, neue Schnittstellen wie zum Beispiel die Integration von Mobile Apps oder von Zahlsystemen zu implementieren. Diese Stufe der Evolution müssen Energiedienstleister unter Einhaltung höchster Vorgaben zu Fragen der Sicherheit und des Datenschutzgesetzes im Idealfall schneller als ihre (in-)direkten Wettbewerber erreichen. So sind unter Umständen gerade kleinere Marktteilnehmer in der Lage, sich schneller und flexibler anzupassen.

Wie die Herausforderung der digitalen Welt produktiv gemacht und zum eigenen Vorteil genutzt werden kann, zeigt wie so oft das Beispiel Google. So hat Google seine API-Schnittstellen für Dritte geöffnet. Mittlerweile arbeiten daher mehrere hundertausend Webseiten und noch viel mehr mobile Endgeräte mit Google-Maps-Daten. So kann jedem Unternehmen nur geraten werden, die Verwendung von Daten nach dem Modell der eigenen Lieferkette aufzubauen. Unternehmen müssen sich auf diese Umwälzungen einstellen und Wege finden, künftige Werte zu erschließen anstatt Zäune zu errichten. Der Blick auf die Verlagswelt, die sich aus Verzweiflung mit dem Leistungsschutzrecht gegen die Digitalisierung stemmt, taugt als Beispiel für (noch) nicht gefundene Wege.

Während die Digitalisierung voranschreitet, besitzen die EVUs heute bereits enorme Datenmengen, nutzen sie bisher aber nur unzureichend. Stellt ihnen die IT zukünftig eine Art neues "Betriebssystem des Energiesektors" bereit, können sie damit neue Geschäftsmodelle entwickeln. Zugleich werden sich die EVUs im Rahmen der digitalen Transformation zunehmend partnerschaftlichen Lösungen mit anderen Anbietern öffnen (müssen). Es muss jedoch eine Bereitschaft bestehen derartige neue Lösungen anzugehen.

Für die Zukunft der Energiebranche ist die IT der Schlüssel: sie unterstützt die Energiewende und gibt den EVUs die Möglichkeit, sich im Rahmen der Energiewende neu zu erfinden.

Hier finden Sie Teil 1 der Artikelserie. (bw)