Das Internet der Dinge, bestehend aus dem Internet und der Mikroprozesstechnik, hat in den letzten Jahren einen immensen wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Einfluss auf den zukünftigen Ausbau von Kommunikation zum Austausch von Informationen zwischen Menschen und Dingen genommen (Ezz El-Din & Manjaiah, 2017, S. 299). Mit Dingen werden Geräte beschrieben, die miteinander kommunizieren und interagieren, um Informationen auf intelligente Weise zu erfassen, zu verarbeiten und zu speichern (Ezz El-Din & Manjaiah, 2017, S. 299). Durch die ständige Entwicklung der Mikroprozessoren können Gegenstände mit elektronischer Intelligenz ausgestattet werden, welche durch eine eigene Internetadresse Daten senden und empfangen können (Litzel, 2016). Zum Speicherort der Daten gehören z. B. Data Warehouse, Datenbanken und Cloud- Services (Hussain & Al-Karkhi, 2017, S. 3). Die generierten Daten werden anschließend mit Hilfe von statistischen Verfahren ausgewertet (Andelfinger & Hänisch, 2015, S. 14).
Das Internet der Dinge ermöglicht es dem Menschen, seine Lebensqualität zu erhöhen und den Firmen, den Unternehmenswert zu steigern. Die Integration von Geräten und Sensoren sowie die darauffolgende Datenanalyse ermöglichen den Geräten, die eigenständige Entscheidungstreffung auszuführen, um die Nutzer jeder Zeit zu unterstützen (Gentner & Gramatke, 2016, S. 4). Hierbei kann die Datenanalyse in drei Kategorien unterteilt werden. Die erste Kategorie ist die umfangreiche Datenanalyse. Sie ist hierbei erforderlich, da eine hohe Anzahl an Daten durch sehr viele Sensoren erfasst und diese dann in großer Menge in der Datenbank abgelegt werden. Die zweite Kategorie ist die Echtzeit-Datenanalyse. Hierbei erfolgt die kontinuierliche Analyse von Daten, die von diversen intelligenten Geräten mit einer höheren Datenrate generiert werden. Der nächste Punkt bezieht sich auf die detaillierte Datenanalyse. Dies ist z. B. für Vorhersagen des Stromverbrauchs, zukünftig auftretende Fehler oder Hinweise auf gerichtete Daten erforderlich (Hussain & Al-Karkhi, 2017, S. 29).
Der Mensch muss nicht mehr aktiv werden, um Informationen einzuholen oder um sie bereitzustellen. Mit Hilfe von Sensoren können die Geräte autonom Daten aufnehmen und diese an den Computer weiterleiten, welche anschließend in ausgewerteter Form dem Menschen zur Verfügung gestellt werden (Andelfinger & Hänisch, 2015, S. 26). Die miteinander vernetzten Haushaltsgeräte, die Sicherheitssysteme zu Hause sowie die intelligenten Thermostate bieten mehr Komfort im Alltag. Die Gesundheit wird hierbei ebenso gefördert und der Spaß am Leben ist durch mehr Freizeit gegeben. Unternehmen können die Abläufe effizienter gestalten und die genutzten Maschinen noch gezielter in Einsatz bringen. Der Ressourcenverbrauch wird optimiert und die Vetriebsaktivitäten individualisiert. Demnach entstehen neue Geschäftsmodelle durch die Vernetzung von intelligenten Maschinen und Geräten (Gentner & Gramatke, 2016, S. 4). Die Produktionsanlagen werden miteinander vernetzt, die somit zunehmend mehr Daten durch die Prozesse hervorbringen. Durch die Datenanalyse können Prozessoptimierungen vorgenommen oder auf zukünftige Wartungen hingewiesen werden (Odenkirchen, 2018).
Die neue Regulierung der Zukunft wird schließlich sein, dass alles miteinander verbunden und intelligent kontrolliert werden kann. Das Konzept Internet der Dinge wird durch die Entwicklung von mobilen Geräten, eingebetteten und allgegenwärtigen Kommunikationstechnologien, Cloud Computing und Datenanalyse immer relevanter (Ezz El-Din & Manjaiah, 2017, S. 299).
Industrieunternehmen, wie z. B. Energiekonzerne, haben die Chance für das Internet der Dinge erkannt und möchten es mit in die Digitalisierungsstrategie einbetten. Die zunehmende Auseinandersetzung mit der Thematik beruht darin, die Wünsche der Kunden zukünftig schneller erfüllen zu können. Zusätzlich können die Prozesse effizienter gestaltet und somit die Produktivität des Unternehmens gesteigert werden (Odenkirchen, 2018). Das Internet der Dinge kommt in sehr vielen Bereichen zur Anwendung. Hierzu zählen auch das Smart Home sowie das Smart Metering (Litzel, 2016).
Obwohl das Internet der Dinge zahlreiche Vorteile mit sich bringt, beinhaltet es zeitgleich viele Herausforderungen. Die Geräte, die mit dem Internet verknüpft sind, sind anfälliger für Angriffe von außerhalb. Unbefugte können sich Zugang zu den Datenmengen, die in der Cloud gespeichert sind, beschaffen und persönliche Daten können somit ausspioniert werden. Es können Sabotagen betrieben und absichtliche Stilllegung der Industrieanlage vorgenommen werden. Dies sind Gründe, weshalb die Nutzung der modernen Technologie eine hohe Sicherheitsmaßnahme erfordert. Die generierten Daten sowie die Prozesse müssen mit gezielten Maßnahmen geschützt werden (Litzel, 2016; von Gagern, 2015).
Cloud
Das Cloud Computing, welches durch die Internet-Technologie ermöglicht wird, stellt dem Cloud-Benutzer einen dynamischen Dienst zur Verfügung (Marinescu, 2013, S.1). Die Cloud stellt eine Alternative zum herkömmlichen IT-Betrieb dar und wird bei der Digitalisierung des Unternehmens als ein Faktor mitbetrachtet (Krickel, 2015, S. 47). Im Zusammenhang mit innovativen Produkten ermöglicht das Cloud Computing, auf Daten von allen internetfähigen Geräten zuzugreifen (El Fallah Seghrouchni, Ishikawa, Hérault, & Tokuda, 2016, S. 68). Dies geschieht zeit- und ortunabhängig (Marinescu, 2013, S.1). Es wird ein Remote-Server genutzt, um die üblichen Aufgaben wie Speichern, Verwalten und Verarbeiten von Daten im bereitgestellten Cloud-Dienst zu realisieren. Hierfür sind keine lokalen Server notwendig (International Energy Agency, 2017, S. 167). Dies erhöht die Sicherheit und Zuverlässigkeit der permanenten Präsenz der gespeicherten Daten. Zusätzlich bringt diese Dienstleistung dem Verbraucher eine Kostenersparnis in der Kommunikation (Marinescu, 2013, S.1). Diese Technologie wird über das Internet betrieben, weshalb sie eine hohe Bandbreite benötigt (El Fallah Seghrouchni u. a., 2016, S. 72).
Cloud Computing sowie Big Data ermöglichen es, die Daten einfacher zu synchronisieren. Das Verarbeiten sowie das gemeinsame Nutzen der Daten werden hierbei erleichtert (El Fallah Seghrouchni u. a., 2016, S. 72). Maßnahmen gegen Datenverlust oder Diebstahl werden von dem Dienstleister, dem gleichzeitigen Eigentümer des Systems, sichergestellt. Das Warten des Dienstes wird ebenfalls vom Betreiber ausgeführt. Der Ressourceneinsatz kann für den bereitgestellten Dienst ermittelt werden. Somit kann für den Cloud-Benutzer der exakte Gebrauch in Rechnung gestellt werden. Durch den Skaleneffekt kann der Dienstleister den Cloud-Service effizienter gestalten und sich gegebenenfalls spezialisieren. Die Cloud-Bereitstellung hält sich in geringeren Kosten, weshalb der Dienstleister einen Preisnachlass an den Cloud-Benutzer weitergeben kann (Marinescu, 2013, S.1). Im Normalfall wird die erworbene Leistung mit einem standardisierten Preis dem Kunden zur Verfügung gestellt (Krickel, 2015, S. 47).
Der Einsatz von Cloud Computing beeinflusst die Energiewirtschaft im nachhaltigen Sinne (O. D. Doleski, 2016, S. 9). Die Technologie wird zunehmend interessanter für Unternehmen. Die Cloud fördert die Einsparung von weiteren Kosten (Uhl & Hanslik, 2012, S. 199-200). Die Energieleistungen bringen Daten aus verschiedenen Standorten hervor, welche in einer Cloud analysiert werden. Mit den Ergebnissen können Energieeinsparungspotenziale ermittelt werden. Zwischen den über Cloud verbundenen Mitarbeitern findet ein Austausch von Erfahrungen statt. Durch den effizienteren Austausch können Energiekosten eingespart und somit ein Wettbewerbsvorteil generiert werden (International Energy Agency, 2017, S. 56).
Durch die Integration der Cloud im Unternehmen werden herkömmliche Leistungserbringungen, wie on Premise, die durch die eigene IT-Abteilung im Unternehmen bereitgestellt werden, abgelöst (Erdogan, Lovric, Shin, & Michel, 2018, S. 6). Auf Wunsch wird den jeweiligen Unternehmen der IT-Dienst zur Verfügung gestellt. Hierzu gehören z. B. eine Rechenleistung oder die Datenspeicherung. Es wird dabei der Service, der spezifisch für einen Kunden erbracht wird, von dem standardisierten Service, der für alle Kunden zugänglich ist, unterschieden (Pechardscheck, 2013).
Die Akteure in der Energiewirtschaft möchten diese Technologie in deren Unternehmen einführen, haben jedoch Bedenken wegen der Datensicherheit (Pechardscheck, 2013). Der Einsatz dieser neuen Infrastruktur ist mit Risiken verbunden. Unternehmenswichtige Daten werden womöglich auf fremden Rechenzentren gespeichert, die nicht kontrolliert werden können (Marinescu, 2013, S. 1). Die Energieversorgungsunternehmen haben eine zurückhaltende Einstellung gegenüber dem Einsatz von Cloud im Unternehmen. 32% der befragten Unternehmen im Jahr 2016 gaben an, dass ihnen die Kompetenz dazu fehlt, den richtigen Einsatz zu vollziehen. 29% der an der Umfrage beteiligten EVU befürchten das Fehlen der Datensicherheit im Unternehmen. Durch den Mangel an Kompetenz wird das Potenzial nicht ausgeschöpft, weshalb das Cloud Computing nur in bestimmten Fällen zum Einsatz kommt (Erdogan u. a., 2018, S. 6).
Die Integration von Cloud im Unternehmen stellt keine Voraussetzung für einen Erfolg dar. Es ist eine geeignete Cloud-Strategie notwendig, um den richtigen Einsatz im Unternehmen festzustellen (Erdogan u. a., 2018, S. 5).
Smart Grid
„Das Smart Grid gilt als Schlüsseltechnologie, um elektrische Energie-Infrastrukturen auf die Herausforderungen der kommenden Jahrzehnte vorzubereiten.“ (Skopik, 2015, S. 1). Es ist außerdem für alle Akteure in der Energiewirtschaft von besonderer Bedeutung (Einhellig, 2014, S. 361).
Die Energiewende trägt zur Entwicklung der Verteilernetze bei. Der Ausbau der erneuerbaren Energieträger bedeutet gleichzeitig der Ausbau von dezentralen Anlagen, die knapp 90% des produzierten Stroms in das Netz einspeisen. Dementsprechend muss das konventionelle Netz den Anforderungen entsprechen (Ahlers, 2014, S. 97). Seit ungefähr 2005 steigt zunehmend das Interesse an Smart Grid. Die Erkenntnis, dass mit Hilfe von Informations- und Kommunikationstechnologien viele Möglichkeiten entstanden sind, um das jetzige Stromnetz zu modernisieren, wodurch die Überwachung und Steuerung des Netzes einfacher zu gestalten ist und somit realistische Kosten ermittelt werden können, ist ausschlaggebend für die weiterführende Entwicklung (Ekanayake, 2012, S. 2). Das Smart Grid kann auf einer abstrakten Ebene als „Energie-Internet“ angesehen werden, welches für das Internet der Dinge eine hohe Relevanz innehält. Eine Maschine-zu-Maschine Kommunikation wird generiert (Qiu & Antonik, 2017, S. 34). Hinzu kommt das Kommunikationsunterstützungsschema, das eine Echtzeit-Messtechnik ermöglicht (Momoh, 2012, S. 1). Ein Datenkommunikationssystem wird verwendet, um Statusinformationen von einem intelligenten Endgerät an eine dafür gesehene Stelle zu senden. Hierbei stellt dies eine Mensch-Maschine-Schnittstelle dar. Die Steuerung des Energiesystems erfolgt durch die effektive Kommunikation von vielen Geräten miteinander, die Daten hervorbringen (Ekanayake, 2012, S. 19). Big Data ist hierbei von Vorteil, wenn es um die Auswertung der vielen Daten bei Smart Grid geht. (Sichler, 2014, S. 478). Energiewirtschaftliche Daten werden den Energieversorgern in hoher Zahl bereitgestellt, welche die Auswertung und die Analyse der Daten ausführen müssen, um die Effizienz im Prozess zu erhöhen (Einhellig, 2014, S. 361). Diese Maßnahmen dienen dazu, die Ausfallsicherheit und Prognosen zu modifizieren sowie Bedrohungen vor internen und externen Aktivitäten frühzeitig zu erkennen (Momoh, 2012, S. 1).
Die einseitige Energieversorgung der Verbraucher durch Kraftwerke hat sich seit Jahrzehnten in der Energiewirtschaft etabliert (Edelmann, 2014, S. 783). Die herkömmliche hierarchische und unidirektionale Netzstruktur wird nicht weiterhin fortbestehen, sondern ändert seine Struktur in eine dezentrale und multidirektionale Struktur. Der Datenaustausch erfolgte bisher überwiegend unidirektional und wies eine nicht standardisierte Struktur auf. Die Frequenz hielt sich gering, da die Anzahl der Marktakteure überschaubar gering war (Roß, 2012, S. 289). Durch die Zunahme der dezentralen Energieerzeugungsanlagen speisen unterschiedliche Akteure in das Netz ein, welches heute somit bidirektional betrieben wird. Die Komplexität steigt in der Versorgung, was durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologie gemeistert werden kann (Edelmann, 2014, S. 783).
Das Voranschreiten dieser Technologie kann durch herkömmliche Technologien nicht bewerkstelligt werden und die intelligente Steuerung von Informations- und Energiefluss somit nicht realisieren. Hierfür ist der Einsatz von neuen Technologien notwendig, wie z. B. Netzsensorik, intelligente Ortsnetzstation und Outage Management Systems. Die Nutzung dieser Technologien wird die Entwicklung von herkömmlichem Netz in ein Smart Grid ermöglichen. Die Maßnahmen zur Transformation bis hinzu einem Smart Grid müssen dabei durch politische Unterstützung zusätzlich geprägt werden (Edelmann, 2014, S. 783).
Die Netzkunden werden mit Hilfe von Smart Grid integriert. Dabei wird die Effizienz gesteigert. Die Versorgungs- und Netzsicherheit sind somit gewährleistet. Zukünftige Entwicklungen bezüglich des Netzes können besser geplant werden. Die Kunden werden in den Energieversorgungsprozess eingebracht und die Zufriedenheit der Kunden erfüllt (Kapetanovic, 2014, S. 207). Das intelligente Netz stellt die notwendige Komponente für das Smart Home bereit, weshalb die Kunden von der Entwicklung direkt betroffen sind (Sichler, 2014, S. 478).
Das alte Netz beinhaltet zudem die unten aufgeführten Eigenschaften.
• Die Eigenschaft von alten Netzen umfasst eine deutliche Spartentrennung in Strom, Wärme und Gas.
• Die kontinuierliche Messung erfolgt nur in bestimmten Fällen durch den Erzeuger.
• Die Kontaktaufnahme mit Marktpartnern ereignet sich überwiegend aufgrund von Abrechnungen, die administrativ ausgeführt werden.
• In die Netzinfrastruktur sind Informations- und Kommunikationstechnologien nicht integriert.
• Bei veränderter Lastsituation ist die Flexibilität der Anpassung an den Zustand des Netzes nicht ausgeprägt vorhanden (Roß, 2012, S. 289).
Im Gegensatz zur alten Netzinfrastruktur werden durch die Einführung von Smart Grid die unten aufgeführten Inhalte ermöglicht:
• Es folgt eine Übereinstimmung der Sparten Strom, Gas und Wärme
• Die kontinuierliche Messung der Netze und Bereitstellung wesentlicher Daten wird gewährleistet.
• Eine multidirektionale Kontaktaufnahme mit den vielen Marktteilnehmern wird ermöglicht.
• Die Informations- und Kommunikationstechnologie wird in das Stromnetz integriert.
• Die Anpassungsflexibilität an gegebene Situationen ist hoch. Die Prozesse können automatisiert ablaufen und sich an den Netzzustand anpassen (Roß, 2012, S. 290). Das Smart Grid ist eine radikale Neubewertung der Funktion von Verteilungsnetzen mit:
• Integration von verteilten Energieressourcen. • aktiver Steuerung der Lastanforderung.
• effektiverer Nutzung des Vertriebsnetzes (Ekanayake, 2012, S. 141).
Smart Grid wird von der Regierung gefördert und wird als kostengünstige Möglichkeit angesehen, um die Stromversorgungsinfrastruktur zu modernisieren und gleichzeitig kohlenstoffarme Energieressourcen einzuführen. Die Inbetriebnahme des intelligenten Netzes wird in vielen Ländern als eine wichtige und kommerzielle Möglichkeit angesehen, um die Entwicklung neuer Produkte und Dienstleistungen zu ermöglichen (Ekanayake, 2012, S. 4). Das Smart Grid schweißt den Stromerzeuger und den Verbraucher auf intelligente Weise zusammen. Das Ziel hierbei ist die nachhaltige, ökonomisch lukrative und die sichere Versorgung durch Strom (Europäische Kommission, 2006).
Dennoch sind die genannten Punkte in Deutschland nicht so stark ausgeprägt wiederzufinden. Die Netzbetreiber entwickeln ihr Geschäftsmodell jedoch in diese Richtung. Die Prozesse der Entwicklung können wie in Abbildung 4 dargestellt, erfolgen (Roß, 2012, S. 290).
S. 291)
Smart Metering
„Smart Meter sind kommunikationsfähige Messeinrichtungen, die Verbrauchern ermöglichen, Informationen über den augenblicklichen Energieverbrauch zu erhalten.“ (Wosnitza & Hilgers, 2012, S. 521–522). Zusätzlich wird das Smart Metering als eine Komponente des Smart Grids verstanden und stellt eine Schnittstelle zwischen dem Verbraucher und dem Energieversoger dar. Durch den Einsatz dieser Technologie können darauf aufbauend neue Geschäftsmodelle entwickelt werden. Neben dem Erhalt von Kundendaten und Netzdaten kann auch ein Zusatzverkauf von Service und Produkt stattfinden (Edelmann, 2014, S. 784).
Ohne das intelligente Messsystem sind die Mitarbeiter des Energieversorgers verpflichtet, von Haus zu Haus zu fahren, um den nicht intelligenten Stromzähler abzulesen und die Messungen zu dokumentieren, wie in der Abbildung 5 dargestellt. Dies ist eine zeitaufwendige Prozedur (Borges de Oliveira, 2017, S. 3). In diesen Haushalten wird in den meisten Fällen mit dem Ferraris-Zähler gemessen, wie in der Abbildung 6 zu erkennen (Fox, 2010, S. 408).
Zählern gemessen wurden – In Anlehnung an: (Borges de Oliveira, 2017, S. 4)
Das Vor-Ort-Ablesen findet mit Hilfe der intelligenten Zähler nicht mehr statt (Bundesnetzagentur, 2018). Die Terminvereinbarung für das Ablesen, welche für den Kunden als eine Belastung empfunden wird, kann somit umgangen werden (Aichele & Doleski, 2013, S. 16). Durch Falschablesungen entstandene unkorrekte Kundenrechnungen werden dadurch verhindert und die damit verbundene Korrekturarbeit eingespart. Der Wegkosten reduziert sich, Zwischenablesungen beim Mieterwechsel können effizienter gestaltet werden (Aichele & Doleski, 2013, S. 18) und die Abrechnungsprozesse werden somit profitabel gesteuert (Edelmann, 2014, S. 784).
Die Messstellen- Betreiber sind seit dem 1. Januar 2011 rechtlich zum Einbau von intelligenten Zählern in Neubauten verpflichtet. Ferner müssen im Falle von großen Hausrenovierungen ebenfalls diese Zähler eingesetzt werden. Diese finden Anwendung für verschiedene Einsätze wie z. B. für Strom, Erdgas, Fernwärme und Wasser (Wosnitza & Hilgers, 2012, S. 521–522). Das Voranschreiten von Smart Metering ist somit das Ergebnis des politischen Willens und der Wunsch der Kunden, Kosten- und Verbrauchstransparenz zu erhalten. Die intelligenten Geräte ermöglichen dem Bewohner jeden Monat, online auf die Abrechnung zuzugreifen und den aktuellen Stromverbrauch zu ermitteln. Die Transparenz erhöht das Bewusstsein der Kunden im Umgang mit dem Energieverbrauch (Grandel, 2012, S. 223). Das intelligente Messsystem wird von der Politik unterstützt und ist auf dem heutigen Markt für das weitere Vorgehen undenkbar. Es existiert zudem keine Alternative auf dem Markt, welche die Automatisierung von Messungen und Kundenbelieferung ermöglicht (O. Doleski, 2012, S. 116).
Die Informationstechnologie macht als Enabler die Nutzung von Smart Metering erst möglich (Aichele, 2013, S. 302) und trägt einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung von intelligenten Netzen bei (Wosnitza & Hilgers, 2012, S. 522). Diese Enabler sollen eine standardisierte Kommunikation im Energienetz gewährleisten. Das Ziel hierbei ist die Digitalisierung der Energiewende, welches als Gesetz im Jahr 2016 in Kraft getreten ist (Bundesnetzagentur, 2018). Die Energielieferanten installieren somit intelligente Zähler in den Häusern der Kunden, um ihren Verbrauch in Echtzeit messen zu können (Borges de Oliveira, 2017, S. 3). Der Verbrauch der Kunden wird automatisch in einstellbaren Zeitintervallen an den Energieversorger übermittelt. Das Senden der Daten erfolgt z. B. über Funknetze wie GSM oder GPRS. Es kann hierbei auch DSL genutzt werden (Fox, 2010, S. 408).
Informations- und Kommunikationstechnologien ermöglichen dem Smart Meter, die Messungen schneller und zuverlässiger zu sammeln (Borges de Oliveira, 2017, S. 3). Durch den Verbindungsaufbau mit dem Internet können die Daten effizienter analysiert werden und somit den Energieverbrauch optimieren. Die Optimierung erfolgt beispielsweise, indem die Energienutzung auf Zeiträume verlegt wird, wo die Energie auf dem Markt am günstigsten ist (Wosnitza & Hilgers, 2012, S. 522). Die ermittelten Daten können zur Steuerung des intelligenten Netzes beitragen und Ausschluss über weitere Investitionen geben, welche ökonomisch gewinnbringend für das Unternehmen sind (Edelmann, 2014, S. 784). Kundenbeschwerden kommen auf diese Weise seltener vor, da die Datenerfassung oder Schätzungen exakter dargestellt werden können und das Anliegen der Kunden eher erfüllt wird. Somit kann der Kundenservice optimiert werden (Aichele & Doleski, 2013, S. 18). Beim Austausch der intelligenten Zähler oder einer Reparatur müssen die vorherigen Verbrauchsdaten gelöscht werden, damit der Datenschutz aufrechterhalten bleibt (Fox, 2010, S. 408).
Die intelligenten Zähler sollen alle Sparten zukünftig kompakter darstellen. Hierbei soll die Ablesung für Wasser, Gas, Heiz- und Fernwärme im selben Gerät erfolgen und somit die Verbrauchertransparenz erhöhen (Bundesnetzagentur, 2018). Der passive Stromverbraucher bekommt zukünftig eine aktivere Rolle, um den Strommarkt mitzugestalten (Bundesnetzagentur, 2018) und wird einsichtiger bei der Frage nach Energieeinsparungen, was wiederum die CO2-Reduzierung fördert (Aichele & Doleski, 2013, S. 18). Dies hat zur Folge, dass ein positiver Effekt für das Klima erzielt wird (Grandel, 2012, S. 223).
Das Einführen von Smart Meter stellt die Zukunftsfähigkeit von Messsystemen dar, die sich europaweit ausdehnen. Der Einsatz dieser intelligenten Zähler unterstützt die Automatisierung im Gebäude und hat einen Zusammenhang in der Entwicklung von Smart Home (Aichele & Doleski, 2013, S. 17). 80% der deutschen Haushalte sollen bis zum Jahr 2020 mit Smart-Meter-Technologien ausgerüstet sein. Das betrifft hierbei knapp 31 Mio. Unterkünfte. Damit soll die Transparenz über den Verbrauch vorhanden sein und die Kunden sollen somit mehr Einfluss auf ihren Eigengebrauch haben (Strese, Seidel, Knape, & Botthof, 2010, S. 13).
Die intelligenten Zähler sind jedoch anfälliger für Datendiebstahl. Das Privatleben der Kunden kann mit der Informationsgewinnung durch das Smart Meter Aufschluss darüber geben, wie das Verhalten der Kunden im häuslichen Umfeld ist. Es kann z. B. Informationen darüber Preis geben, welche Fernseherkanäle der Kunde bevorzugt (Borges de Oliveira, 2017, S. 3–4). Verbraucherprofile können besser bestimmt werden, die für Behörden eine Strafverfolgungsquelle darstellen. Der Verbrauch der einzelnen Geräte kann Ausschluss darüber geben, wie veraltet die Geräte sind und somit personalisierte Werbung für den Benutzer betreiben (Fox, 2010, S. 408).
Smart Home
Das im privaten Haushalt genutzte Smart-Home-System (Strese, Seidel, Knape, & Botthof, 2010, S. 8) besteht aus einer Kopplung von Hard- und Software. Dies erteilt dem Bewohner Auskunft darüber, was im Haus oder in seiner Umgebung passiert. Die multimedialen Geräte sind in vielen Bereichen des Hauses wiederzufinden (Augusto & Nugent, 2006, S. 3) und sind mit einer Zentrale, die Hub oder Gateway genannt wird, im Haus verknüpft. Die Zentrale erhält z. B. per Smartphone oder Tablet ein Befehl, das anschließend die Steuerung der smarten Geräte veranlasst. Zu Kommunikationszwecken enthält die Zentrale eine Funksprache, mit der sie die Möglichkeit hat, die Geräte anzusprechen. Zum Einsatz kommen Funksprachen wie WLAN oder Bluetooth (Schiller, 2018).
Die einzelnen Bestandteile im Smart Home sind mit dem Smart Meter verbunden und werden durch das intelligente Messsystem durch den Einsatz von Internet gesteuert. Die Haushalte werden miteinander vernetzt. Dabei handelt es sich um ein lokales Netzwerk. Die EVU können auch auf das Netzwerk zugreifen und mit ihren Kunden bei Gegebenheit kommunizieren. Der Einsatz von Energie wird durch die intelligente Abstimmung der Geräte effizient durchgeführt. Zu viel produzierter Strom im Eigenheim wird gespeichert und bei zukünftig wenig produziertem Strom den Verbrauchern zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig wird durch den Datenaustausch der Haushaltsgeräte oder der Elektrofahrzeuge bei günstigem Tarif die Stromversorgung bereitgestellt, um so kostengünstig wie möglich den Strom zu nutzen und Geld einzusparen (Aichele, 2012, S. 173– 174).
30% der Deutschen besitzen bereits vernetzungsfähige Geräte, die mit dem Smartphone per App oder mit dem Computer kommunizieren können. Die Geräte werden nach persönlichem Bedürfnis eingestellt, um den Alltag komfortabler für den Bewohner zu gestalten (Schiller, 2018). Unabhängig vom Standort des Besitzers können die Geräte gesteuert werden (Carbou, Bars, Gomez-Montalvo, Mahdi, & Alcaraz, 2011, S. 81–82). Für Menschen zwischen 25-34 Jahren stellt der Einsatz von Smart-Home-Systemen im privaten Haushalt 34,7% dar. Bei Bürgern zwischen 55-64 Jahren ist die Zahl der Bewohner in einem intelligenten Eigenheim mit 9,8% am geringsten (Statista, 2017).
Erst durch die technologischen Entwicklungen von zwei wichtigen Komponenten hat diese Thematik an Bedeutung gewonnen. Der bidirektionale Funkstandard trägt einen wichtigen Punkt dazu bei. Hierzu gehören z. B. Funktionen wie WLAN oder Bluetooth. Diese ermöglichen den Multimediageräten, miteinander zu kommunizieren. Die Technologie hinter dem Smartphone oder dem Tablet ermöglicht es dem Benutzer, sie als Fernbedienung zu nutzen und die Geräte fernzusteuern. Sprachbefehle sowie Gestik tragen zusätzlich zur automatisierten Steuerung bei (Schiller, 2018). Hierzu gehören z. B. Geräte wie Smart Meter, Klimasteuerung, Beleuchtungs-und Sicherheitssysteme (Carbou u. a., 2011, S. 81–82).
Die mit Sensor ausgestatteten Geräte können feststellen, wenn eine Normabweichung im Haushaltssystem vorliegt, die ein Unbehagen beim Bewohner auslöst (Carbou u. a., 2011, S. 82). Physikalische Größen werden wahrgenommen und dementsprechend wird gegenreagiert (Schiller, 2018). Ein Gasleck oder ein Feuer, das ausgebrochen ist, kann mit integrierter Kamera und die dazugehörige Software das autonome Reagieren ermöglichen. In solchen Fällen wird das Fenster als Gegenmaßnahme geöffnet oder geschlossen. Türen werden verriegelt oder entriegelt (Carbou u. a., 2011, S. 82). Der Wasserhahn kann z. B. mit Hilfe der Sensorik ermitteln, wie lange der Hahn geöffnet war und gegebenenfalls per Fernsteuerung den Wasserfluss einstellen (Augusto & Nugent, 2006, S. 3). Die Energiekosten werden somit reduziert und die Umwelt dadurch geschont (Schiller, 2018). Bei Heizung und Strom kann das automatisierte System bis zu 30% Kostenersparnisse pro Jahr für den Haushalt erzielen (Rockmann, 2017). Während das intelligente Wohnen das Leben komfortabler gestaltet, wird die Energienutzung effizienter und die Energiewende wird mit der neuen Technologie unterstützt (Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, 2018).
Die nachstehende Abbildung zeigt, in welchen Bereichen das Smart Home zum Einsatz kommt.
Meyer, 2012, S. 94)
Es ergeben sich viele Marktsegmente, welche durch Smart Home ermöglicht werden. Die Energienutzung wird transparent und übersichtlicher. Die Demografie entwickelt sich in eine Richtung, in der die Zahl der älteren und alleinstehenden Menschen steigt. Diese Menschen werden z. B. die Möglichkeit besitzen, in einem intelligenten Haus durchgehend betreut zu werden. Das Sicherheitsbedürfnis der Menschen wird mit Hilfe von Sensoren und Kameras getilgt. Zusätzlich wird den Bewohnern ein Komfort bereitgestellt (Strese u. a., 2010, S. 9-10).
Smart City
Wegen der starken Urbanisierung verursachten (acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, 2011, S. 7) radikalen Transformation der Städte und mit Hilfe von digitalen Technologien wird die Stadt im Industriezeitalter zunehmend vernetzt (Picon, 2015, S. 9).
Die zunehmende Entwicklung der sozialen und wirtschaftlichen Aspekte in der Stadt benötigt eine geeignete Lösung, um den kulturellen, wirtschaftlichen und sozialen Veränderungen entgegenzuwirken (Álvarez-García, del Río-Rama, Vázquez-Huerta, & Rueda-Armengot, 2017, S. 214). Es leben schon seit 2007 mehr Menschen in Ballungsals in ländlichen Räumen. Die Großstädte verbrauchen insgesamt 75% der global erzeugten Energie. Die entwickelten Städte sind auf smarte Technologien angewiesen, um derzeitige und zukünftige Probleme zu bewältigen. Hierbei werden mehrere Bereiche in der Stadt zur Weiterentwicklung betrachtet, miteinander vernetzt und integriert (acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, 2011, S. 7–9). Die durchgehende Kommunikation der Geräte bringt eine unzählige Menge an Daten hervor. Diese werden durch Big Data analysiert und den Verbrauchern in Echtzeit zur Verfügung gestellt. Hierbei werden die Daten geordnet und auf einer strukturierten Weise den Schnittstellen bereitgestellt (Arnold, 2014, S. 506).
Das Smart-City-Konzept ist somit für die Lebensqualitätssteigerung der Bewohner gedacht. Durch den Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien wird das Konzept realisierbar. Die Stadttransformation verspricht Verbesserungen der Ressourcennutzung in der wirtschaftlichen Effizienz und in der nachhaltigen Entwicklung (Álvarez- García u. a., 2017, S. 214). Die intelligente Stadt wird sich automatisch dem vorhandenen Strom, welcher aus der erneuerbaren Energieversorgung bereitgestellt wird, anpassen. Der Energieverbrauch wird somit reduziert (Brakhage & Hollerbach, 2015, S. 82) und die Prozesse werden transparenter gestaltet als auch intelligent gesteuert. Es findet durchgehend ein Informationsfluss zwischen den vernetzten Geräten statt. Dies optimiert die Energieversorgung und unterstützt die Energieversorger in Energieversorgungs- und Entsorgungsprozessen (Aichele & Doleski, 2014, S. 31).
Für die Entwicklung von Smart Cities stellt die sichere Stromquelle einen wichtigen Punkt dar. Die Zuverlässigkeit der Energieversorgung muss garantiert sein. Die zentralen und dezentralen Energieerzeuger erhalten hierbei eine wichtige Rolle. Die Zustandserkennung sowie die aktive Netzsteuerung müssen gewährleistet werden. Hierfür werden intelligente Stromnetze benötigt, welche durch Sensoren gesammelte Daten die genaue Ermittlung des Verbrauchs gewährleisten und die Informationen mit anderen Geräten automatisch kommunizieren, um die Energie zu regulieren (acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften, 2011, S. 16). Die intelligente Stadt optimiert durch die Vernetzung die Energieversorgung und schafft einen zukünftig nachhaltigen Wohnraum in einer Großstadt (Aichele & Doleski, 2014, S. 32). Die intelligente Stadt ermöglicht es dem Menschen, eine Echtzeitinformation über ihren Wohnraum einzuholen und sie mitzugestalten. Die wachsende Rolle der Smartphones und die Nutzung dieser intelligenten Geräte verhilft den Menschen bei der Kommunikation in ihrer Stadt (Picon, 2015, S. 42).
Die Bürger werden in intelligenten Städten zukünftig in verschiedenen Sachverhalten unterstützt. Die darauf spezialisierten Anwendungen erkennen die Situation und reagieren dementsprechend. Die Geräte kommunizieren untereinander und ändern ihren aktuellen Status. Hierbei spielt das Kontext-Management-System eine Schlüsselrolle, welche durch drahtlose Sensorknoten aufgesammelte Daten aus der Umgebung auswertet (El Fallah Seghrouchni u. a., 2016, S. 1–2). Die Sensornetze und der Ausbau von Internet der Dinge sowie die Weiterentwicklung der Mobilfunknetze bis hinzu 5G ermöglichen die einfache Vernetzung der einzelnen Komponenten. Fahrzeuge können beispielsweise auf dem Straßenverkehr miteinander kommunizieren. Die neuen Technologien bringen neue Geschäftsmodelle mit sich und verbinden unterschiedliche Unternehmensbranchen, die miteinander arbeiten (Freund u. a., 2018, S. 95–96).
Big Data
Der Begriff Big Data ist nicht genau definiert (Fasel & Meier, 2016, S. 3). Allerdings wird dieser häufig als Synonym für eine große Menge an Daten verwendet (Bendel, 2018). Big Data dient als Erweiterung der vorhandenen Daten mit zusätzlichen Daten aus unterschiedlichen Bereichen. Der Zusammenhang wird hierbei analysiert und somit der Wertzuwachs erreicht (Kreiskott & Lau, 2015, S. 110).
Big Data beinhaltet vier Eigenschaften, welche als die 4 V´s bezeichnet werden. Die erste Eigenschaft wird als Volume bezeichnet, was als Menge definiert wird (Wachter, 2018, S. 18). Datenmengen sind beispielsweise aufgrund des Nutzungsverhaltens im Internet für Unternehmen in großer Anzahl vorhanden (Krickel, 2015, S. 47). Als nächstes kommt der Begriff Velocity, welcher die Geschwindigkeit der Zunahmen und deren Veränderung darstellt (Wachter, 2018, S. 18). Die vorhandenen Daten können sich schnell verändern. Jedoch kann die vorliegende Information in Echtzeit ausgewertet werden und für zukünftige Entscheidungen als Vorlage dienen (Krickel, 2015, S. 47). Der englische Begriff Variability gibt den Vielfalt der Daten an (Wachter, 2018, S. 18), da die Daten nicht in strukturierter und einheitlicher Weise vorliegen, sondern verschiedenen Quellen entstammen (Krickel, 2015, S. 47). Zuletzt steht der Begriff Veracity für die Verlässlichkeit der Daten (Wachter, 2018, S. 18).
Einer der Gründe für die Entwicklung von Big Data ist die zunehmende Anzahl an Daten, welche durch innovative technologische Entwicklungen wie beispielsweise den Smartphones zustande gekommen sind. Die Vernetzung der Menschen wird mit Hilfe dieser Technologien erhöht. Dies hat zur Folge, dass mehr Datenströme vorhanden sind (Seufert, 2016, S. 40). In Unternehmen herrscht somit kein Datenmangel. Jedoch stellen Integration, Analyse und Nutzung die eigentliche Herausforderung dar. Um diesen Problemen entgegenzuwirken, sind Leistungstechniken notwendig. Auf diese Art werden große Mengen an Daten effizient ausgewertet (Patil & Sonavane, 2017, S. 50).
Durch den Einsatz von Big Data können mit verschiedenen Verfahren, wie z. B. der Interdependenzanalyse, Kunden in Segmente unterteilt werden. Zusätzlich können Umfeld- und Trendforschung betrieben werden (Bendel, 2018). Dies gibt wiederum Aufschluss über die Einstellung der Menschen und deren Weltanschauung (Fasel & Meier, 2016, S. 4).
Big Data kommt in verschiedenen Bereichen zum Einsatz. Hierzu zählt unteranderem auch die Energiewirtschaft. Durch den Einsatz von Smart Metering und Smart Grid können die notwendigen Daten im Energiesektor erhoben werden (Bendel, 2018). Das intelligente Netz ermöglicht beispielsweise, große Mengen an Daten durch Gerätezustände, Stromverbrauch und Benutzerinteraktionen zu erhalten. Die vorhandenen Energiedaten der Kunden sowie die Klima- und Marktdaten können (Brakhage & Hollerbach, 2015, S. 89) mit Hilfe der Datenanalysetechniken ausgewertet und somit Optimierungen in den Prozessen vorgenommen werden. Zudem können Vorhersagen getroffen und Klassifizierungen durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Stromverbrauch durch die Analyse optimiert und der zukünftige Strombedarf vorhergesagt werden. Dies hat zur Folge, dass künftige Strompreise den ermittelten Werten dynamisch angepasst werden können (Amato & Venticinque, 2017, S. 209). Die Daten müssen somit ausgewertet werden, um das intelligente Netz effizient steuern zu können (Brakhage & Hollerbach, 2015, S. 88).
Die Umsetzung von Smart City ist ohne den Einsatz von Big Data und die damit verbundene Datenanalyse nicht möglich (Fasel & Meier, 2016, S. 4). Smart Home dient als zusätzliche Informationsquelle, um die Kundenaktivitäten auszuwerten (Wachter, 2018, S. 18). Die Daten, welche durch die Vernetzung der Menschen und die intelligente Energiebereitstellung entstehen, werden somit in die Wertschöpfungsprozesse eingebunden (Seufert, 2016, S. 40).
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