Hilfe, ich bekomme ein Smart Meter
Bild Smart-Meter: EVB Energie AG / CC-BY-SA-3.0 / Grafik: TP
Seit 2020 werden bei immer mehr Stromkunden in Deutschland Smart Meter mit dem Kommunikationsmodul Smart Meter Gateway (SMGW) installiert. Welche Auswirkungen hat dies für den Kunden?
Während die Installation der Smart-Meter-Infrastruktur für Haushalte beispielsweise in Frankreich mit dem System "Linky" durch den Stromnetzbetreiber Enedis flächendeckend und aus einer Hand erfolgt, hat man in Deutschland auf Wettbewerb gesetzt, bei welchem unterschiedliche Anbieter ihre kompatible Technik vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) zertifizieren lassen müssen.
Um die vielfach bestehende Verunsicherung beim Thema Smart Meter und Smart Meter Gateway ein wenig zu reduzieren, hat Telepolis drei im Bereich intelligenter Stromnetze und Smart Meter tätige Experten um fachliche Aufklärung gebeten und Manuel Lösch und Tobias Riedel vom FZI Forschungszentrum Informatik in Karlsruhe sowie Kevin Förderer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) mehrere Fragen zur Etablierung der neuen Messtechnik gestellt.
Nach längerer prüfungsbedingter Verzögerung wurde auch in Deutschland inzwischen mit der Installation von Smart Metern und den im deutschen Modell für die Kommunikation benötigten Gateways (SMGWs) begonnen. Welche Bausteine werden jetzt installiert?
Manuel Lösch: Der deutsche Weg des Smart Meterings unterscheidet zwei grundlegende Bausteine: "moderne Messeinrichtungen" und "Smart-Meter Gateways" (SMGWs). Die moderne Messeinrichtung ist ein digitaler Stromzähler, der den Stromverbrauch mindestens viertelstundengenau erfassen kann. Außerdem verfügt der Stromzähler über ein Display zur Darstellung der aktuellen Leistung sowie des Verbrauchs der letzten Tage, Wochen, Monate und Jahre.
SMGWs haben im Wesentlichen zwei Funktionen: Zum einen können sie moderne Messeinrichtungen kommunikationsfähig machen, sodass ihre Messwerte automatisiert zum Energieversorger geschickt werden können. Zum anderen stellen SMGWs einen abgesicherten Kommunikationskanal zur Verfügung.
Über diesen Kanal können unter anderem dynamische Strompreise oder Vorgaben zur temporären Drosselung der Ladestation kommuniziert werden. Die Aufteilung in moderne Messeinrichtungen und SMGW ist eine deutsche Besonderheit, die Datenschutz und IT-Sicherheit sicherstellen soll. Dafür werden die SMGWs vom Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) zertifiziert.
Die Kombination von einer oder mehreren modernen Messeinrichtungen mit einem SMGW wird auch als "intelligentes Messsystem" bezeichnet. Eine einheitliche Verwendung des Begriffs "Smart Meter" gibt es leider nicht, manchmal ist damit nur die moderne Messeinrichtung und manchmal das gesamte intelligente Messsystem gemeint.
Smart Meter Gateways und Energiewende
Welche Bedeutung haben die SMGWs für die Realisierung der Energiewende?
Tobias Riedel: Im Wesentlichen geht es um drei Ziele: Erstens müssen die wetterbedingten Schwankungen der Wind- und Solarenergie ausgeglichen werden. Dazu sind variable Tarife ein Baustein, der durch Smart Meter erst möglich wird. Es kann also günstiger werden, dann Strom zu verbrauchen, wenn viel Sonne scheint oder viel Wind weht.
Zweitens geht es darum, lokale Netzüberlastungen zu vermeiden, die durch viele gleichzeitige Ladevorgänge von Elektroautos oder Photovoltaik-Einspeisung entstehen könnten. Mit SMGWs haben Netzbetreiber die Möglichkeit, die Leistung zu beeinflussen, um die Netze stabil zu halten. Und drittens soll das Bewusstsein über den Stromverbrauch gesteigert und zum Stromsparen und zur Effizienz motiviert werden.
Wer muss sich die entsprechende Technik installieren lassen?
Kevin Förderer: Wir alle. Im Messstellenbetriebsgesetz ist festgelegt, dass bis ins Jahr 2032 alle konventionellen Zähler durch eine moderne Messeinrichtung ersetzt werden müssen. Die bekannten Ferraris-Zähler werden heute nicht mehr verbaut. Stattdessen wird bei einem Neueinbau eine moderne Messeinrichtung installiert.
Ein SMGW werden aber nicht alle erhalten. Wer bis wann ein SMGW bekommt, ist auch im Gesetz definiert. Beispielsweise wird bei einem hohen Jahresstromverbrauch, wie dies mit einem Elektrofahrzeug gut möglich ist, die Installation fällig.
In welchem zeitlichen Horizont werden diese Installationen für wen zwingend?
Kevin Förderer: Ursprünglich plante der Gesetzgeber 2017 stufenweise mit der Installation zu beginnen. Zusammen mit der Zertifizierung der SMGW kam und kommt es jedoch immer wieder zu Verzögerungen. Effektiv ist es heute so, dass bis spätestens 2032 bei einem Stromverbrauch über 6.000 Kilowattstunden im Jahr bzw. einer installierten Erzeugungsleistung über 7 Kilowatt (zum Beispiel eine größere Photovoltaik-Anlage) ein SMGW installiert werden muss.
Dabei gilt aber der Vorbehalt, dass der Einbau wirtschaftlich vertretbar sein muss. Die entsprechenden Preisobergrenzen sind im Messstellenbetriebsgesetz festgeschrieben und reichen von 23 bis 100 Euro im Jahr, je nach Stromverbrauch.
Die Pflicht zum Einbau besteht auch, wenn ein besonderer Vertrag zur Steuerung von Verbrauchseinrichtungen wie Wärmepumpen oder Ladesäulen besteht. Bei einem geringeren Jahresstromverbrauch oder einer installierten Erzeugungsleistung ab einem Kilowatt ist es dem grundzuständigen Messstellenbetreiber freigestellt, ob dieser ein SMGW installieren möchte oder nicht.
Smart Meter Gateways und dynamische Stromtarife
Welche Auswirkungen haben die SMGWs auf den Strombezug, bzw. die Tarifierung?
Manuel Lösch: Durch intelligente Messsysteme mit SMGWs kann elektrische Energie in genau den Zeitintervallen abgerechnet werden, in denen sie von Energieversorgern auch an der Strombörse gehandelt wird. Elektrische Energie ist dort ein Viertelstundenprodukt und jede Viertelstunde hat einen anderen Preis.
Mit SMGWs können Stromlieferanten nun dynamische Stromtarife anbieten, die die tatsächliche Preissituation am Großhandelsmarkt widerspiegeln. Wenn Wind und Sonne viel Strom erzeugen und dieser potenziell sogar im Überschuss zur Verfügung steht, ist der Strom billig. Dynamische Stromtarife motivieren Kunden mit einem zeitlich flexiblen Stromverbrauch, diesen möglichst in die günstigen Zeiten zu verlagern.
Das heißt die Waschmaschine soll künftig dann laufen, wenn der Wind weht und die Sonne scheint?
Manuel Lösch: Mit klassischen Stromverbrauchern wie Waschmaschinen lassen sich nur relativ kleine Mengen elektrischer Energie zeitlich verschieben und überschaubare Ersparnisse erzielen – diese sind daher nicht im Fokus. SMGWs werden ja nur bei Stromkunden verbaut, die einen hohen Verbrauch haben, weil sie zum Beispiel ein Elektroauto oder eine Wärmepumpe haben.
Bei solchen Verbrauchern kann der Zeitpunkt des Stromverbrauchs sehr gut automatisiert im Hintergrund angepasst werden: Elektroautos sind zu Hause meist über zwölf Stunden mit der Ladestation verbunden, obwohl sie nur zwei bis drei Stunden davon laden müssen. Dies geschieht sinnvollerweise dann, wenn der Strom günstig ist.
Neue Energiemanagementsysteme werden solche Optimierungen künftig auf Basis von Preisinformationen ohne manuelles Eingreifen des Stromkunden durchführen. Ein Beispiel dafür ist unser Start-up InnoCharge, mit dem wir Energieversorgern helfen, flexibles Laden lohnenswert und für Stromkunden attraktiv zu machen.
Mit dem stark steigenden Anteil wetterabhängiger Stromerzeugung wird die Anpassung von flexiblem Stromverbrauch nämlich immer wichtiger: Bereits im Jahr 2020 sind in Deutschland 6.100 Gigawattstunden erneuerbare elektrische Energie ungenutzt geblieben. Damit hätten 2,4 Millionen Elektroautos ein Jahr lang fahren können.
Kann der Strombezug per Fernsteuerung ohne die jeweilige Zustimmung des Kunden beeinflusst werden?
Tobias Riedel: Aktuell nicht. Man kann sich momentan selbst dazu entscheiden, die Fernsteuerung bei Ladestationen oder Wärmepumpen zuzulassen und dafür Netzentgelte zu sparen (die durchschnittliche Ersparnis beträgt derzeit 3,76 Cent/kWh, abhängig vom Netzbetreiber).
Viele Netzbetreiber bieten das an, hauptsächlich für Wärmepumpen und Nachtspeicherheizungen. Es wird aber diskutiert, ob man in Zukunft Ladestationen nur installieren darf, wenn der Netzbetreiber zumindest die Möglichkeit hat, die Leistung bis zu einem bestimmten Grad zu begrenzen. Das Gleiche könnte auch bei Wärmepumpen gelten.
Wichtig ist aber zu betonen, dass es nie um den "gewohnten" Stromverbrauch wie Licht, Waschmaschine, Fernseher usw. geht. Den kann der Netzbetreiber auch mit SMGWs nicht fernsteuern.
Die Diskussion dreht sich nur darum, ob der Netzbetreiber immer dann Ladestationen drosseln sollte, wenn es eng wird, oder ob es finanziell belohnt werden sollte, den Ladevorgang in Zeiten zu verschieben, in denen das Netz weniger belastet ist. Letzteres würde bei Verbrauchern sicherlich zu mehr Akzeptanz führen, aber die Komplexität erhöhen. An solchen Ansätzen forschen wir gerade und der Ausgang der Diskussion ist offen.
Daten für Stromlieferanten und Netzbetreiber
Kann der Kunde mithilfe von Smart Metern überwacht werden?
Manuel Lösch: Das Smart Meter Gateway als BSI-zertifiziertes Kommunikationsmodul soll genau das verhindern. Zuerst ist es sinnvoll, sich zu vergegenwärtigen, warum überhaupt Zählerwerte kommuniziert werden.
Stromlieferanten und Netzbetreibern müssen nämlich den sicheren Stromnetzbetrieb garantieren und die Energiewende verändert hier einiges: Erzeugen die Photovoltaik-Anlagen im Verteilnetz gerade zu viel Strom? Laden zu viele Elektroautos gleichzeitig? Wann soll das Gaskraftwerk den zusätzlich benötigten Strom erzeugen? – Antworten hierzu liefern Messwerte, die über SMGWs kommuniziert werden. Aus Datenschutzgründen ist im Gesetz jedoch klar definiert, wem welche Zählerdaten wie oft und wozu zur Verfügung zu stellen sind.
Bei Haushalten werden besonders wenig Daten herausgegeben. Lediglich für große Haushalte mit mehreren Personen oder Gewerbebetriebe (Verbraucher > 10.000 Kilowattstunden/Jahr) kommunizieren SMGWs täglich für den Vortag den Energieverbrauch in viertelstundenscharfer Auflösung an den Stromlieferanten.
Dieser kann damit die Beschaffung am Strommarkt verbessern, indem er darauf schließen kann, wann Strom üblicherweise verbraucht wird. SMGWs von Verbrauchern mit einer Photovoltaik-Anlage sowie von Gewerbebetrieben (Verbraucher > 20.000 Kilowattstunden/Jahr) kommunizieren im Bedarfsfall zusätzlich Messwerte an den Netzbetreiber. Dieser kann damit die aktuelle Situation in Netz erfassen und geeignete Maßnahmen einleiten.
Zum Schutz des Kunden kann das SMGW die Zählerwerte hierbei pseudonymisieren. Zusätzlich führt das SMGW Buch über nach außen kommunizierte Daten und stellt diese dem Kunden zur Nachvollziehbarkeit jederzeit über eine lokal aufrufbare Oberfläche zur Verfügung.
Kevin Förderer: Das alles geht natürlich von der Annahme aus, dass das SMGW nicht in irgendeiner Form manipuliert wurde. Die Geräte sind aber auch gegen Manipulation gesichert. Vom Hersteller bis zum Einbau vor Ort muss die sogenannte "sichere Lieferkette" (SiLKe) mit abgesicherten Transportboxen eingehalten werden. Auch auf der Softwareseite sind verschiedene Sicherheitsmechanismen im Einsatz.
Beispielsweise darf nur der Administrator neue Firmware einspielen, die komplette Kommunikation ist kryptographisch mit einer eigenen Public-Key-Infrastruktur gesichert und jedes SMGW verfügt über ein eigenes, zertifiziertes Kryptomodul. Die genauen Anforderungen sind durch die Schutzprofile vom BSI gegeben.
IT-Sicherheit in der Stromversorgung
Machen Smart Meter die Stromversorgung angreifbar?
Tobias Riedel: Viele haben den Roman Blackout von Marc Elsberg gelesen, in dem ein Angriff auf die Stromversorgung eine zentrale Rolle spielt. Zunächst kann man sagen, dass die Funktion von Smart Metern, die im Roman für den Angriff ausgenutzt wird, bei dem deutschen Ansatz mit Smart Meter Gateways gar nicht existiert.
Es ist aber komplexer: Durch die Energiewende wird das Energiesystem dezentraler und ist damit immer stärker auf Informations- und Kommunikationstechnik angewiesen. Auch unabhängig von der Energiewende gibt es immer mehr Geräte, deren Stromverbrauch grundsätzlich über das Internet steuerbar ist. Millionen von kleinen Anlagen werden miteinander kommunizieren und tun das bereits.
Es ist klar, dass die Kommunikation im Smart Grid hohe Sicherheitsstandards erfüllen muss. Diese Sicherheitsstandards, die für Deutschland das BSI definiert hat, werden u.a. im SMGW verwirklicht. Man kann sogar sagen: Die eigentliche Existenzberechtigung eines SMGWs ist, eine sichere und standardisierte Kommunikation unabhängig vom privaten Internetanschluss zu ermöglichen.
Smart Meter Gateways an sich machen also nicht die Stromversorgung angreifbar. Sie sind vielmehr der deutsche Ansatz, einen einheitlichen Sicherheitsstandard im Smart Grid zu setzen.
Welche Herausforderungen bestehen aufgrund der wettbewerbsbedingten Heterogenität der Technik und wie sollen Schnittstellenproblemen ausgeschlossen werden?
Kevin Förderer: Die besondere Herausforderung ist die, dass so viele verschiedene Akteure mit ganz unterschiedlichen Interessen berücksichtigt werden müssen. Angefangen bei den Stromkunden, sprich uns allen, über die Netzbetreiber, bis hin zu Stromlieferanten und den Herstellern von Anlagen, wie beispielsweise Ladesäulen oder Batteriespeicher.
Während beispielsweise ein Netzbetreiber ein Interesse haben kann, sich über den Zustand des Stromnetzes zu erkundigen und aktuell gemessene Leistungen und Spannungen abzurufen, haben die Verbraucher wiederum ein Interesse zu erfahren, ob und wann Daten abgerufen wurden. Das SMGW muss daher Buch führen, um transparent zu machen, welche Informationen wann kommuniziert wurden.
Die Interoperabilität soll dadurch gewährleistet werden, dass das BSI umfassende Vorgaben zu SMGWs und der zugehörigen Infrastruktur erarbeitet und veröffentlicht hat. Die technische Richtlinie BSI-TR-03109-1 definiert zum Beispiel sehr genau, wie das Gerät die Daten erfassen, verarbeiten und kommunizieren muss. Es sind aber nicht alle Details ausdefiniert.
Bei Fragen wie Datenformaten oder weiterführenden Schnittstellen, zum Beispiel zur Übermittlung von Strompreisen oder Lastbegrenzungssignalen, sind die verschiedenen Akteure aufgerufen sich an einen Tisch zu setzen und Standards zu definieren. Aktiv sind hier beispielsweise das Forum Netztechnik/Netzbetrieb (FNN) des VDE oder auch die EEBus Initiative e.V.
Kann die Fernsteuerung die Gefahr eines Blackouts reduzieren?
Tobias Riedel: Ja. Die Fernsteuerung gibt dem Netzbetreiber von lokalen Verteilnetzen die Möglichkeit zu reagieren, wenn es zu einer Überlastung vor Ort kommt. Vorhin wurde ja schon skizziert, dass SMGWs durchaus auch weitere Möglichkeiten bieten als die Fernsteuerung, um die Gefahr von Blackouts zu verringern. Dazu gehören definitiv auch mehr Daten über den Zustand des Stromnetzes, die dem Netzbetreiber helfen, geeignete Maßnahmen zu treffen.
Es ist zudem technisch möglich, dass zum Beispiel bei viel Windeinspeisung Batterien und Ladestationen das Signal bekommen, ihre Leistung zu erhöhen und damit den Überschuss abzufangen. Auch das kann zur Sicherheit des Stromnetzes beitragen.
Welchen Nutzen hat der Kunde?
Manuel Lösch: Das ist schwierig zu beantworten, da der Mehrwert für den Stromkunden einem Henne-Ei-Problem unterliegt: Der Markt kann keine nützlichen Lösungen anbieten, solange es die Infrastruktur nicht gibt und solange die Infrastruktur nicht vorhanden ist, können keine Lösungen entwickelt werden. Der Gesetzgeber schreibt die Infrastruktur nun vor, um Lösungen überhaupt erst zu ermöglichen.
Drei Vorteile lassen sich direkt benennen: Erstens, ein Stromkunde kann durch dynamische Stromtarife und automatisierte Anpassung des Stromverbrauchs Geld sparen. Dynamische Tarife müssen in Zukunft angeboten werden, wobei erschwerend hinzukommt, dass sich der Strompreis heute zu einem großen Teil aus fixen Steuern und Umlagen zusammensetzt. Hier gilt es für den Gesetzgeber nachzuschärfen, um genau solche Ersparnisse zu ermöglichen.
Der zweite Vorteil ist ein verbessertes Verständnis des eigenen Stromverbrauchs sowie ggf. der eigenen Erzeugung. Durch Visualisierungen kann der Stromkunde Energiefresser identifizieren und den eigenen Überschuss der Photovoltaik-Anlage verstehen. Das mag zwar simpel und offensichtlich klingen, ist vielen Menschen aber gar nicht so richtig bewusst.
Drittens, man kann das SMGW potenziell auch nutzen, um weitere Zähler anzubinden, zum Beispiel Wärme-, Gas- und Wasserzähler. Dadurch könnten diese Zähler effizienter abgelesen und damit Nebenkostenabrechnungen gesenkt werden. Letztendlich wird sich der Erfolg des deutschen Sonderwegs vor allem auch daran messen, welche neuen Lösungen der Markt in den kommenden Jahren hervorbringen wird.