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Industrie 4.0 – Die große Chance für die Energiewende

Industrie 4.0 – das klingt wie ein Update für die Industrie, das man sich einfach herunterladen und installieren kann.

So einfach ist es zwar nicht, aber diese Vorstellung leitet einen schon in die richtige Richtung. Industrie 4.0 soll ausdrücken, dass die Industrie nach der Digitalisierung Anfang des 21. Jahrhunderts nun auch mit dem Internet verknüpft werden soll. So ähnlich wie zum Beispiel bei einem Update Ihres Betriebssystems auf dem Computer soll auch das Update auf Industrie 4.0 alles schneller, besser und effizienter machen. Aber was genau ist damit gemeint? Und was hat das mit der Energiewende zu tun?


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Industrie 4.0 und das Internet der Dinge – Was ist das?

Heutzutage sind die meisten Maschinen und auch Haushaltsgeräte noch offline. Sie sind weder mit dem Internet noch untereinander verknüpft. Der Mensch kann also in den meisten Fällen nur auf sie zugreifen, wenn er sich in ihrer Nähe befindet. Im Zuge der vierten industriellen Revolution – der Industrie 4.0 – sollen künftig alle Industrieanlagen und auch Werkstücke untereinander und mit dem Internet vernetzt sein. Auch für Ihre normalen Elektrogeräte aus dem Haushalt trifft dies in naher Zukunft zu. Man spricht daher auch vom „Internet der Dinge“.

Im Internet der Dinge ist jedes Gerät mit dem Internet verknüpft.

Das Internet der Dinge | Quelle: pixabay.com © jefferb

Bereits heute ist es möglich, den Lieferstatus einer bestellten Pizza in Echtzeit über das Internet abzurufen. Und das ist erst der Anfang. In Zukunft können Sie im „Internet der Dinge“ erfahren, wie lange Ihre Spülmaschine noch spülen muss, bis das Geschirr sauber ist. Oder sie könnten Ihren Backofen über Ihr Smartphone anstellen, so dass die Pizza pünktlich fertig ist, wenn Sie abends nach der Arbeit nach Hause kommen. Letztlich schließen das Update auf Industrie 4.0 und das „Internet der Dinge“ die Informationslücke zwischen realer und virtueller Welt. Die Grenzen verschwimmen.

Industrie 4.0 und das Internet der Dinge – eine große Chance für die Energiewende

Millionen Deutsche schalten stromintensive Geräte wie Elektroherd, Spül- oder Waschmaschine täglich und zu geregelten Uhrzeiten ein. So entstehen seit Jahrzehnten zur Mittagszeit Lastspitzen in den deutschen Stromnetzen: Der Strompreis schwankt erheblich und die Netze werden stark belastet. Das ist ein großer Nachteil für die Energiewende, weil die Verbraucher immer mehr Geld für den Strom zahlen müssen und so ihre Akzeptanz für die Energiewende schwindet. Zudem verschandeln die immer größeren Stromtrassen Deutschlands Landschaften.

Strompreis und -nachfrage im Tagesverlauf.

In der oberen Grafik ist gut zu erkennen wie stark der Strompreis im Tagesverlauf schwanken kann. Besonders zu den Abendstunden steigt der Strompreis in diesem Beispiel stark an, weil die Nachfrage auf einem hohen Niveau bleibt, die Stromerzeugung aber abnimmt. Industrie 4.0 und das Internet der Dinge könnten diesen Prozess jedoch bald verändern. Zurzeit folgen die Stromerzeuger noch dem Motto: „Erzeugung folgt Verbrauch“. Steigt der Stromverbrauch also beispielsweise morgens an, ziehen die Stromerzeuger nach und schalten Kraftwerke hinzu. Mit der Energiewende und dem Ausbau von Solar- und Windstrom schwankt die Stromerzeugung jedoch immer mehr, da sie zunehmend vom Wetter und von den Tageszeiten abhängt. In der unteren Grafik ist das gut zu sehen: Die Erzeugung von Sonnenstrom ist besonders von den Tageszeiten abhängig, weil die Sonne nachts natürlich nicht scheint. Die Erzeugung von Windstrom hingegen kann jederzeit steigen oder fallen, je nach dem wie das Wetter gerade ist.

Es fehlt im Rahmen der Energiewende vor allem an effizienten Stromspeichern, die bei einem Überangebot (zum Beispiel durch starken Wind) den Strom speichern und bei Bedarf wieder in das Netz einspeisen können. Kommt es zu Lastspitzen, können die Erzeuger diese möglicherweise nicht mehr abdecken. Gaskraftwerke sollen zukünftig zwar abhilfe schaffen, können aber auch nur bis zu einem gewissen Grad Energie speichern.

Erzeugung von Wind- und Sonnenstrom im Vergleich.

Ziel der Stromerzeuger ist es deshalb, zusammen mit der Energiewende das Motto „Verbrauch folgt Erzeugung“ im Rahmen der Industrie 4.0 und des Internets der Dinge zu etablieren und große Lastspitzen zu verhindern. Momentan haben die Verbraucher noch keine Möglichkeit ihren Stromverbrauch an das Angebot und den Strompreis anzupassen. Sie sind dem Strommarkt hilflos ausgeliefert. Mit der Industrie und dem Internet der Dinge soll sich das aber ändern. Die Verbraucher sollen demnach dann viel Strom verbrauchen, wenn die Erzeuger auch viel Strom produzieren (können). Umgekehrt sollen sie weniger verbrauchen, wenn weniger Strom zur Verfügung steht. Diesen Prozess nennt man „Demand Side Management“, auch Laststeuerung genannt. Anreiz dafür ist der Strompreis: Er steigt, wenn viel Strom in den Stromnetzen fließt und fällt, wenn weniger Strom vorhanden ist. Der Strompreis wird sich mit dem Update auf Industrie 4.0 also in Echtzeit ändern und die Verbraucher reagieren darauf.

Die Verbraucher sollen ihren Stromverbrauch also in Zukunft schnell anpassen und flexibilisieren. Möglich ist das aber nur, wenn sie den Strompreis auch in Echtzeit abrufen können. Die Industrie 4.0 und das Internet der Dinge machen das möglich, weil sie die Transparenz der Stromerzeuger und -verbraucher erhöhen. Beide wissen stets übereinander Bescheid und tauschen Informationen untereinander aus. Innerhalb der Industrie 4.0 kennen die Verbraucher somit immer den aktuellen Strompreis und die Erzeuger wissen jederzeit, wie viel Strom jeder Einzelne verbraucht.

So haben die Verbraucher im Rahmen der Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge die Möglichkeit, stromintensive Anlagen, Maschinen oder Geräte vermehrt dann einzuschalten, wenn ein Überangebot an Strom herrscht, er also vergleichsweise günstig ist. Wenn hingegen Strommangel besteht, können die Stromverbraucher stromintensive Anlagen, Maschinen oder Geräte abschalten, um dem hohen Strompreis auszuweichen. Sie können zum Beispiel Ihre Spülmaschine künftig so einstellen, dass Sie nur bei einem Strompreis kleiner als 29 ct/kWh spülen soll. Die Spülmaschine schaltet sich demnach erst ein, wenn der Strompreis unter diesen Grenzwert fällt. Die Netzbetreiber können so durch die Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge teure Lastspitzen vermeiden, welche das Netz stark belasten. Industrie 4.0 und das Internet der Dinge sind also eine große Chance für die Energiewende. Sie können die Belastung für die Stromnetze senken, die Versorgungssicherheit erhöhen und den Verbrauch flexibilisieren – Stromerzeuger und Stromverbraucher könnten erheblich profitieren.

Smart Grid und Smart Meter

Um die Vorteile von Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge für die Energiewende zu nutzen, sind ein intelligentes Stromnetz (Smart Grid) und intelligente Stromzähler (Smart Meter) unabdingbar. Ein Smart Grid vernetzt im Rahmen der Industrie 4.0 und des Internets der Dinge die Stromerzeuger, Stromverbraucher und Stromspeicher miteinander. Über das Smart Grid ist eine internetbasierte Kommunikation möglich, sodass die Stromanbieter und Stromverbraucher Informationen über den Stromverbrauch einzelner Geräte in Echtzeit abrufen können.

Außerdem wissen die Stromspeicher, wann sie Strom speichern oder Strom in das Netz einspeisen müssen. Andersherum wissen die Stromverbraucher stets, wie hoch der aktuelle Strompreis ist. Der Smart Meter ist in der Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge dabei die Schnittstelle zwischen stromverbrauchenden Maschinen, Anlagen und Geräten und dem Smart Grid. Er weiß jederzeit, wie viel Strom Ihre Spülmaschine verbraucht. Die Stromerzeuger greifen über das Smart Grid auf diese Informationen zu. Letztlich können Sie Ihren Stromverbrauch aber nur an den Strompreis anpassen, wenn sie mithilfe der Smart Meter an die notwendigen Informationen gelangen.

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Laut einer Studie des Electric Power Research Institutes können das Smart Grid und die Smart Meter im Rahmen der Industrie 4.0 den CO2-Ausstoß in den USA um 12 Prozent oder umgerechnet um circa 500 Millionen Tonnen senken. Das ist möglich weil der Verbrauch flexibilisiert und an die Stromerzeugung angepasst wird. Die Folge: Es wird nur noch soviel Strom verbraucht, wie auch erzeugt wird.  Zudem könnten die Investitionskosten für den Netzausbau in Deutschland laut einer Studie der Deutschen Energie Agentur (dena) bis 2030 um bis zu 30% gesenkt werden. Durch die Flexibilisierung des Verbrauchs entstehen weniger Lastspitzen und die Netze müssen somit für eine viel geringere maximale Strommenge ausgelegt sein: Die Netzbetreiber müssen schlichtweg weniger Stromtrassen bauen.

Das ist aber alles noch Zukunftsmusik, denn der Aufbau eines Smart Grids und der Industrie 4.0 in Deutschland stockt gewaltig.

Risiken der Industrie 4.0 – Ein Sicherheitsstandard ist bitter nötig

Bei allen Vorteilen, die die Industrie 4.0, das Internet der Dinge und ein Smart Grid bieten, birgen sie auch Gefahren. Generell gilt: Sind die Stromzähler und alle Anlagen, Maschinen und Geräte innerhalb der Industrie 4.0 und dem Internet der Dinge zukünftig mit dem Internet verbunden, sind sie jederzeit potentiell von Dritten angreifbar. Hacker können nicht nur einzelne Verbraucher von der Stromversorgung abschneiden, sie könnten die gesamte Stromversorgung in Deutschland lahmlegen. Zudem sind das Smart Grid, die Industrie 4.0 und das Internet der Dinge weitere Schritte in Richtung des „gläsernen Verbrauchers“.

So erhalten die Stromerzeuger im Internet der Dinge und der Industrie 4.0 Daten über jedes einzelne Gerät, welches an Smart Grid angeschlossen ist. Daten, die sie an Dritte weiterverkaufen könnten. Hacker können sich außerdem im Internet der Dinge und der Industrie 4.0 potentiell Zugang zu jedem Gerät und zu jeder Industrieanlage verschaffen.  Um diese Risiken zu minimieren, muss unbedingt ein hoher Sicherheitsstandard für das Smart Grid und die Smart Meter entwickelt werden. Auch deshalb ist jetzt die Bundesregierung gefragt. Sie muss nicht nur die Entwicklung der Industrie 4.0 und der Energiewende, sondern auch die Entwicklung eines Smart Grids vorantreiben.

Das Internet ist für die Bundesregierung Neuland

„Die Ermittlung des Stromverbrauchs in Deutschland ist nicht auf Höhe der Zeit.“

– Das stellte der frühere Bundeswirtschaftsminister Michael Glos (CSU) bereits 2007 in seinem Eckpunktepapier fest. Seit damals sind acht Jahre vergangen und es hat sich (fast) nichts getan. Noch heute sind kaum Smart Meter in Deutschland verbaut. Diese sind aber unverzichtbar, um ein Smart Grid in Deutschland aufzubauen und die Vorteile der Industrie 4.0 für die Energiewende zu nutzen. Besonders das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) ist mit seinen Aufgaben überfordert. Das BSI ist für den Datenschutz- und Kommunikationsstandard der Smart Meter zuständig – bis heute liegt aber kein einsatzbereiter Standard vor. Die Hersteller haben trotzdem schon 500.000 Smart Meter ohne Kommunikations- und Sicherheitsstandard in deutsche Haushalte eingebaut. Diese Stromzähler können somit nur mit einem Hersteller kommunizieren. Ein Flickenteppich entsteht, in dem ein Anbieterwechsel nur möglich ist, wenn der Smart Meter ausgetauscht wird.

Ein intelligentes Stromnetz kann dadurch nicht entstehen. Zudem müssen die Verbraucher für die Kosten dieser Pilotprojekte aufkommen: 50 Millionen Euro wälzen die Hersteller jährlich auf die Stromrechnungen der Verbraucher ab. Kosten, die hätten verhindert werden können.

Fazit – Eine Strategie muss her

Die Bundesregierung muss endlich eine umfassende Strategie entwickeln, damit einheitliche und vor allem sichere Stromzähler entwickelt werden können. Nur so kann Deutschland die Vorteile der Industrie 4.0 und des Internets der Dinge für die Energiewende nutzen. Ein Drittel der Investitionskosten für den Netzausbau könnte die Bundesregierung bis 2030 einsparen. Zusätzlich würden die Strompreise sinken. Zwei große Hürden der Energiewende könnte Deutschland somit um einiges leichter meistern.  

Bundeswirtschaftsminister Sigmar Gabriel hat dafür wiederum, wie schon Michael Glos 2007, Eckpunktepapier veröffentlicht. Bleibt zu hoffen, dass die Punkte dieses Mal auch wirklich umgesetzt werden, denn das Internet sollte für Deutschland kein Neuland bleiben.

Verfasst von: Friedrich Niemeyer

Stephan Thies

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