Freitag, 06 Oktober 2023 12:59

Energiekosten und CO2: Intelligent Energie sparen mit IoT-Vernetzung

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Abb. 1: Nach Berechnungen der Deutschen Energieagentur können in verschiedenen Unternehmensbereichen bis zu 75 % Energie eingespart werden. Während in der Informationstechnologie vor allem neueste IT-Technologie den Einspareffekt bringt, verbessert die bedarfsgerechte Bereitstellung von Ressourcen die Energiebilanz der anderen Sektoren (Quelle: dena, Graphik Wireless Logic mdex GmbH)

Smarte Vernetzung kann den Strombedarf von Unternehmen zu bis zu 80 % senken, sagen Branchenverbände. Integrierte IoT-Konzepte verringern nicht nur den CO₂-Ausstoß, sondern auch die energiebezogenen Betriebskosten. Die neuesten Low-Power-Wireless Area Network (LPWAN)-Mobilfunkstandards für die Machine-to-Machine-Kommunikation sind deswegen bewusst auf Energieeffizienz zugeschnitten. Zum besseren Verständnis der eingesetzten Abkürzungen lesen Sie bitte die Hintergrundinformationen im Kasten.

Auch ohne Krise war Energie für Unternehmen seit jeher ein entscheidender Kostenfaktor. Die dena spricht von Preissteigerungen bei Strom, Erdgas und Heizöl für die Industrie um 160 bis 490 % von 1999 bis 2014 [1]. In einer Erhebung der Stiftung Familienunternehmen geben 82 % der befragten Unternehmen deswegen an, Investitionen in Energieeffizienz umsetzen zu wollen oder dies schon getan zu haben [2].

Auch ohne Krise war Energie für Unternehmen seit jeher ein entscheidender Kostenfaktor.

Unterm Strich ist der Energieverbrauch von Industriebetrieben laut Statistischem Bundesamt von 2003 bis 2021 um 15 % gestiegen [3]. Im Jahr 2021 hat die deutsche Industrie nach Destatis-Angaben [3] 918 Petajoule Energie verbraucht. Das waren 4,6 % mehr als 2020 und 2,6 % mehr als 2019. Davon wurden 88 % für die Strom- und Wärmeerzeugung aufgewendet. Die übrigen 12 % dienten als Grundstoff zur Herstellung von Produkten wie Chemikalien, Düngemittel oder Kunststoffe. Insbesondere Strom macht mit 21 % nach Erdgas (30 %) den wichtigsten Energieträger aus. Dabei ist Strom aber rund viermal so teuer wie Erdgas (Abb. 1).

ZUR INFO

Hintergrundinformationen

3rd Generation Partnership Project (3GPP) ist eine weltweite Kooperation von Standardisierungsgremien für die Standardisierung im Mobilfunk; konkret für UMTS, GSM, LTE und 5G/NR. Die 3GPP wurde am 4. Dezember 1998 von fünf Organizational Partners gegründet.
eSIM ist die Abkürzung für Embedded Subscriber Identity Module, also dem eingebettetem Teilnehmer-Identitätsmodul. eSIMs basieren auf der eUICC-Technologie und sind meist als fester Chip bereits auf der Platine integriert. Allerdings können auch SIM-Karten mit herkömmlichen Formfaktoren eSIm-Funktionalität mit der OTA-Bereitstellung haben.
eUICC ist die Abkürzung für Embedded Universal Integrated Circuit Card und bezeichnet die Software, mit der auf einer eSIM Tarife mit dem Mobilfunknetz z. B. neue Tarife oder Updates bereitgestellt werden können.
LPWAN bedeutet Low Power Wide Area Network und umfasst verschiedene Mobilfunk- Übertragungsstandards, die ausschließlich für den industriellen Gebrauch bestimmt sind.
LTE-M ist die Abkürzung für Long Term Evolution for Machines. Es handelt sich um einen Mobilfunkstandard, der besonders energiesparend und für den industriellen Einsatz vorgesehen ist.
NB-IoT ist die Abkürzung für Narrowband Internet of Things und bezeichnet einen Mobilfunkstandard, der für die Übertragung kleiner Datenmengen bis zu 5 MB pro Monat die energiesparendste Alternative ist.
OTA ist die Abkürzung für Over the Air. Im Zusammenhang mit Mobilfunkstandards bietet OTA die Möglichkeit, Tarife und Übertragungsstandards kontaktlos über das bestehende Mobilfunknetz am eSIMs zu übertragen.

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Sparpotenziale bei der Gebäudeautomatisierung

Natürlich hängt der Energieverbrauch auch von Produktionsmengen, Art der produzierten Produkte und den erforderlichen Technologien und Rohstoffen ab. Zum Fixkostenblock gehören aber unabhängig von der jeweiligen Branche die Betriebsgebäude. Rund 36 % des Energieverbrauchs sämtlicher Bauwerke in Deutschland entfällt laut dena auf Nichtwohngebäude. „Nicht immer lohnt sich der Aufwand für eine vollständige Restaurierung der Außenhülle oder sie ist technisch nicht umsetzbar“, sagt Dennis Paul, Bereichsleiter IoT-Projekte bei Wireless Logic mdex GmbH. „Durch die Vernetzung von Gebäudefunktionen kann trotzdem erhebliches Energiesparpotenzial erschlossen werden, indem man Ressourcen und Funktionen bedarfsgerecht zur Verfügung stellt.“

Basis sind Maßnahmen, die auf den ersten Blick simpel wirken. Die Heizung von großräumigen Werkhallen beispielsweise ist aufgrund der Raumgröße besonders ineffizient: Zwischen Hallenboden und Decke herrschen durch die aufsteigende Wärme Temperaturunterschiede von 10 Grad oder mehr. Diese Transmissionsverluste können durch die Installation von Industrieventilatoren zur Warmluftrückführung weitgehend vermieden werden.

Besonders in Industriehallen neigen die Gebäudedecken zur Aufheizung. Bei einer bodennahen Raumtemperatur von 14 °C erwärmt sich die Hallendecke durch aufsteigende Wärme schnell auf 26 °C auf, rechnet Ventilatorhersteller Fenne KG vor [4]. Mit entsprechenden Deckenventilatoren kann die Raumluft in Bodennähe um 5 Grad erhöht werden, ohne zusätzlich zu heizen. Die Heizkosten sinken dadurch um rund 30 %. Besonders kosten- und energieeffizient werden Ventilatoren, wenn sie vernetzt und ihre Funktion ständig über die Sammlung von Sensordaten optimiert werden. Über eine intelligente Einsatzsteuerung kann die Halle nur zu Betriebszeiten voll geheizt werden. Die Ventilatoren verkürzen dabei die erforderliche Vorheizung und verlängern die Nachtabsenkungszeit.

In einer Montagehalle des Volkswagenwerks Emden wurden beispielsweise 20 Lüftungsanlagen optimiert, wodurch eine Stromeinsparung von 80 % realisiert werden konnte. Kern war der Einsatz von Frequenzumrichtern sowie von Mess-, Steuer- und Regelungstechnik für den bedarfsgerechten Betrieb der Lüftungsanlage. So konnte Volkswagen bei einer Investition von 1,4 Mio. Euro eine Einsparung in Höhe von 1 Mio. Euro im Jahr realisieren [5]. Der Stromverbrauch sank um 7,1 GWh.

Licht-Monitoring für smarte Beleuchtungssysteme

Der Beleuchtung im Unternehmen kommt unabhängig von der Branche besondere Bedeutung zu. So schätzt man, dass bis zu 15 % der Gesamtkosten eines Unternehmens durch mangelhaften und nicht bedarfsgerechten Einsatz der Lichtquellen entstehen [6]. Es ist bekannt, dass eine LED im Vergleich zu einer 60 Watt Glühlampe rund 15 Euro Stromkosten im Jahr einspart. Darüber hinaus spart jedoch die bedarfsgerechte Beleuchtung insbesondere bei Anlieferzonen, Arbeitsplätzen und Verkehrswegen Energie. Die zeitweise Nutzung der Beleuchtung kann einerseits durch den einfachen Einsatz von lichtempfindlichen Sensoren oder Bewegungsmeldern umgesetzt werden. Im Rahmen des IoT-Ansatzes spielt darüber hinaus die Berechnung optimierter Lauf- und Verkehrswege eine Rolle.

Es ist bekannt, dass eine LED im Vergleich zu einer 60 Watt Glühlampe rund 15 Euro Stromkosten im Jahr einspart

Dies führt zum Konzept des Licht-Monitorings, das ein vernetztes Beleuchtungssystem an feste Zeitpläne, Schichten, Präsenzen oder Tageszeiten anpasst. Je nach Tageslichteinfall oder der jeweiligen Aktivität im Raum kann die Raumausleuchtung automatisch gedimmt werden. Darüber hinaus kann der Energieverbrauch jeder einzelnen Leuchte in einem Datenpool gesammelt über ein Dashboard ausgewertet werden. Präsenzsensoren zeigen auf, welche Bereiche im Betrieb unnötig beleuchtet werden. Darüber hinaus liefert Licht-Monitoring wertvolle Daten für die vorausschauende Wartung der Beleuchtung und signalisiert durch die Leistungsdaten jedes einzelnen Lichtpunktes frühzeitig Ersatz- und Reparaturbedarf.

Selbst durch den einfachen Austausch und die Neupositionierung energiesparender Neonröhren konnten die Würzburger Verkehrsbetriebe (WVV) den Stromverbrauch der betriebseigenen Tiefgarage erheblich verringern. Dabei sind einerseits die alten Leuchtstoffröhren gegen 116 energieeffizientere und besser positionierte Neonröhren ausgewechselt worden. Entscheidend war jedoch der Einsatz von elektronischen Vorschaltgeräten mit 10 bis 20 % geringerer Verlustleistung. Diese mit Sensoren vernetzten Vorschaltgeräte dimmen die Beleuchtung nach Bedarf: Wenn sich keine Fahrzeuge oder Personen in der Tiefgarage bewegen, werden die Lampen auf 10 % ihrer Lichtstärke heruntergefahren. Mit diesen Maßnahmen konnten die WVV 76 % Stromkosten pro Jahr einsparen und die Lebensdauer der Lampen um das Dreifache erhöhen [7].

Intelligente Vernetzung als Ausgangspunkt

Die Vernetzung von Gebäuden, Anlagen und Endgeräten mit der Leitstelle ermöglicht es, über maschinelles Lernen Nutzungsprofile, Bedarfszeitpunkte und Laufwege zu optimieren. Darüber hinaus können erforderliche Wartungen prognostiziert und damit Personal- und Materialeinsätze optimiert werden.

„Der Kern energiesparender Maßnahmen ist die bedarfsgerechte Nutzung von Ressourcen“, sagt Dennis Paul. „Dazu gehört die zeitlich passende Bereitstellung von energie-intensiven Ressourcen und entsprechende Prognosemodelle. Eine umfassende Unternehmensvernetzung über Mobilfunk ermöglicht die Anbindung der relevanten Maschinen, Anlagen und Gebäude.“ Mittlerweile existieren mit 4G, 5G und verschiedenen LPWAN-Technologien zahlreiche Mobilfunkstandards zum Aufbau von industriellen IoT-Umgebungen. „Es spielt keine Rolle, ob es sich um eine Anlage auf freiem Feld oder ein Endgerät handelt, das tief im Gebäudekern verborgen ist“, so Dennis Paul. „Für jede erforderliche Datenmenge, Latenzanforderung oder Innenraumpenetration gibt es maßgeschneiderte Konnektivität.“

LPWAN als energiesparende IoT-Alternative

Die neueste Technologie ist 5G, die in der High-Band-Frequenz mit 3,6 GHz Übertragungsraten von mehr als 1 Gbit/s ermöglicht und im Vergleich zu 4G mindestens doppelt so hohe Datenmengen übertragen kann. Trotz der in diesem Frequenzbereich geringen Reichweite zwischen 300 und 1000 Metern pro Funkzelle ist diese Technologie gerade für begrenzte, private Firmen-Netzwerke sinnvoll einsetzbar. Insbesondere für zeitkritische Steuerung von Produktionsanlagen, autonomen Werksverkehr oder Transportsystemen ergibt 5G jedoch genau dort wegen der geringen Latenzen von unter einer Millisekunde im High-Band Sinn.

4G als ursprünglich für Verbraucher konzipierte Mobilfunktechnologie erreicht dagegen Übertragungsraten von höchstens 500 Mbit/s bei Latenzen zwischen 15 und 80 ms. Die meisten IoT-Anwendungen lassen sich heute problemlos über 4G realisieren. Allerdings ist 4G nicht für industrielle Zwecke optimiert und insbesondere nicht energie-effizient. Speziell für die Kommunikation zwischen Maschinen und Anlagen sind die neuen LPWAN-Technologien ausgerichtet. Dabei hatten die Standardisierungsgremien industrielle Anwendungsszenarien und minimalen Stromverbrauch im Blick. Die LPWAN-Standards LTE-M und NB-IoT sind Teil des 4G-Netzes und haben daher die größte Netzabdeckung (Abb. 2).

Abb. 2 (Graphik: Wireless Logic mdex GmbH)

NB-IoT und LTE-M sind konsequent auf Energieeffizienz getrimmt. Das bedeutet, dass die Batterie-Laufzeit etwa in vernetzten Sensoren bis zu 10 Jahre betragen kann. Möglich ist dies durch zwei Schlüsseltechnologien. Der erweiterte diskontinuierliche Empfang (eDRX) schaltet das Gerät zwischen dem Empfang von Daten auch über längere Zeiträume ab. Zusätzlich kann der Power Saving Mode (PSM) das Funkmodul komplett herunterfahren. Beim erneuten Einschalten muss sich das Gerät jedoch nicht wieder mit dem Netzwerk verbinden.

NB-IoT eignet sich jedoch nur für sporadische Übertragung kleiner Datenmengen bis ca. 5 MB pro Monat, bei der große Latenzen zwischen 1,6 und 10 Sekunden tolerierbar sind. Die maximale Datenübertragungsrate von NB-IoT beträgt nur ca. 128 Kbit/s. Dies ist aber oftmals vollkommen ausreichend, um Silo-Füllstände, Temperaturen oder Verbrauchsdaten zu übertragen. Aufgrund der hohen Durchdringung in Innenräumen und geringen Störanfälligkeit eignet sich NB-IoT besonders für Smart Metering, zur Parkplatzüberwachung und für das Gebäudemanagement. Außerdem können pro Funkzelle bis zu 50.000 Sensoren oder Endgeräte angesprochen werden.

Abb. 3 (Graphik: Wireless Logic mdex GmbH)

Der Nachteil ist, dass bei NB-IoT kein Handover zwischen den Funkzellen stattfindet und es sich daher lediglich für den stationären Einsatz eignet. Für mobile Anwendungen mit höherem Datendurchsatz ist der Standard also nicht geeignet. Den Bedarf an leistungsfähigeren Datenverbindungen bei gleichzeitiger Mobilität schließt LTE-M. Diese LPWAN-Technologie bietet eine Datenrate bis zu 1 Mbit/s bei Latenzen zwischen 10 und 15 Millisekunden. Ähnlich wie NB-IoT nutzt LTE-WAN die Energiespar-Technologien eDRX und PSM. Damit ist LTE-M fast so sparsam mit dem Stromverbrauch wie NB-IoT und hat eine ähnliche Gebäudepenetration. In Zukunft soll LTE-M auch Sprachübertragung (VoLTE) unterstützen. Damit eignet sich der Standard auch für hochwertigere Anwendungen wie Aufzug-Notrufsysteme, bei denen Innenraumdurchdringung und Datenübertragung nahe Echtzeit gefragt sind (Abb. 3).

Alte SIM-Karten als Flaschenhals

Mit den neuen Übertragungstechnologien und einer intelligenten, bedarfsorientierten IoT-Vernetzung kann bereits Energie in erheblichem Ausmaß gespart werden. Doch herkömmliche SIM-Chips auf Plastikkarten sind nicht nur gegen Feuchtigkeit und Vibrationen anfällig, sondern müssen bei Betreiber- und Tarifwechseln manuell ausgetauscht werden. Allein der Personaleinsatz und der Fahrtaufwand des Vor-Ort-Services zum Beispiel bei der Ausrüstung von Ortsnetzstationen oder Smart Meters ist immens.

Mit der eUICC-Technologie (Embedded Universal Integrated Circuit Card) von eSIM-Chips ist es jedoch erstmals möglich, manuelle Wartung zu vermeiden. Die nur 6 x 5 mm eSIMs werden bereits auf den Platinen der Endgeräte fest verbaut, sind resistent gegen Feuchtigkeit und Vibrationen und eignen sich so perfekt zur Vernetzung in der Fertigung und Lagerlogistik und für mobile Anwendungen. Der Clou ist jedoch die Zukunftssicherheit: Die Datenverbindung kann bei eSIMs Over-the-Air eingespielt und verwaltet werden. Das bedeutet, dass ein Betreiberwechsel ohne physischen Aufwand und damit energieneutral durchgeführt werden kann.

„Das Problem ist, dass der unkomplizierte Betreiberwechsel nicht im Interesse der Mobilfunkanbieter liegt“, erklärt Dennis Paul. „Alle Mobilfunkunternehmen bieten die eUICC-Technologie und eSIMs an. Die Betreuung im Falle eines Betreiberwechsels übernimmt jedoch ein traditionelles Mobilfunkunternehmen entweder überhaupt nicht, erhebt dafür Kosten oder schließt diese von vornherein vertraglich aus.“ Damit fällt ein wesentlicher Vorteil der eUICC-Technologie weg: Die kontaktlose Bereitstellung von Mobilfunkverbindungen Over-the-Air.

„Genau hier setzt das virtuelle Mobilfunk-Netzwerk Conexa an“, erklärt Dennis Paul. „Wireless Logic mdex bietet mit Conexa sämtliche Netzstandards und Betreiber an, und das nur mit einem einzigen Vertrag. Mit dabei ist die OTA-Bereitstellung, das Management und laufende Beratung zur optimalen Datenverbindung, ohne dass der SIM-Kartenbestand wie früher ausgetauscht werden muss.“

Dies hat insbesondere auch bei international agierenden OEM-Herstellern erhebliche Vorteile, was den Energieverbrauch angeht. Statt für jedes Vertriebsgebiet eine andere SIM-Karte in das Endprodukt einbauen zu müssen, genügt eine einzige. Der eSIM-Chip oder die eUICC-fähige SIM-Karte wird mit einem vorkonfigurierten Profil ausgeliefert, über das vor Ort der gewünschte Tarif über diese Mobilfunkverbindung bereitgestellt wird. Über Conexa und das integrierte SIM-Managementportal können dann sämtliche Mobilfunkverbindungen über eine einzige Benutzeroberfläche in Punkto On-SIM- und On-Device Verhalten, der Leistung und der Kosten überwacht werden.

Da es sich bei Conexa um eine Full-Service-Lösung handelt, steht die je nach Einsatzgebiet energie- und kosteneffizienteste Konnektivität zur Verfügung, ohne an einen Anbieter gebunden zu sein oder interne Ressourcen für das Konnektivitätsmanagement zur Verfügung stellen zu müssen. „So spart die eUICC in Verbindung mit einem virtuellen Mobilfunk-Netzwerk Conexa nicht nur energetisch eingesetzte Energie, sondern auch die der verantwortlichen Mitarbeiter“, sagt Dennis Paul.