Schlagwort: LoRaWAN

Transformatoren: Von der Blackbox zum intelligenten Asset

Transformatoren, das Herzstück im Stromnetz

Transformatoren sind sehr teure und wichtige Assets im Verteilnetz, denn Sie verbinden die höheren Spannungsebenen mit dem Niederspannungsnetz. Im Gegensatz zu den großen Transformatoren im Übertragungsnetz, ist die klassische Ortsnetzstation in den meisten Fällen weder überwacht noch mit Fernwirktechnik ausgestattet.

Für die zukünftigen Herausforderungen im Verteilnetz fehlt es vor allem an Informationen, denn im Moment befinden sich die meisten Niederspannungsnetze im Blindflug. Nur aufgrund ihrer großen Kapazitäten waren die tatsächlichen Leistungsflüsse bisher zu vernachlässigen. Durch hohe Einspeisungen (bspw. durch PV-Anlagen) und ebenfalls hohe Ausspeisungen (bspw. durch E-Auto-Ladepunkte) häufen sich Spannungsbandüberschreitungen auf langen Leitungen und thermische Überlastungen von Betriebsmitteln.

Um Licht ins Dunkel der Verteilnetze zu bringen, hat es sich unter anderem als sinnvoll erwiesen, die Messtechnik zentral in der Ortsnetzstation zu verbauen. Einige Transformatorenhersteller bieten schon Modelle mit eingebauter Mess- und Funktechnik an. Alternativ gibt es Möglichkeiten, die benötigte Messtechnik nachzurüsten. Eine erste Übersicht über die verschiedenen Arten von Transformatoren und die bereits gemessenen Parametern gibt die folgende Abbildung:

Übersicht Typen von Transformatoren

Arten von Transformatoren

Es gibt grundlegende Unterschiede zwischen den verschiedenen Arten von Transformatoren. Insbesondere sind zunächst die zwei üblichen Bauweisen zu unterscheiden: Öltransformatoren und Trockentransformatoren.

Die meisten Trafos sind Öltransformatoren, bei denen die Kupferwicklungen in einen großen Öltank eingetaucht sind. Dies dient der elektrischen Isolierung und der Abführung der Verlustwärme.

Sogenannte Trockentransformatoren verwenden als Isoliermittel Gießharz. Der Kühlungsprozess funktioniert über einen Luftstrom. Aufgrund des fehlenden Öltanks kommen sie vor allem in Wasserschutzgebieten und Aufgrund von Brandschutzvorschriften innerhalb von Gebäuden zum Einsatz.

Standardmäßig verfügen die Transformatoren gerade einmal über einen Temperaturauslöser, der bei zu hoher Temperatur den Stromkreis unterbricht, oder ein Buchholzrelais, das zusätzlich noch Öldruck, -zusammensetzung, -leckagen und -temperatur misst. Eine Übertragung der Information im Auslösefall in die Netzleitstelle findet jedoch meist nicht statt.

In neuster Zeit haben Hersteller damit begonnen, ihre Trafos mit zusätzlicher Messtechnik auszustatten und unterscheiden ihre Modelle nun auch dahingehend, welche zusätzlichen Features der Trafo bietet. Als weiteres Upgrade von Trafos mit zusätzlicher Messtechnik werden moderne Kommunikationsschnittstellen verbaut. Abgesehen von seriellen Schnittstellen und Ethernet, gibt es auch schon Geräte, die auf ein eigenes IoT-Gateway setzen. Die Hersteller versprechen durch die kontinuierliche Sammlung und Übertragung der Daten über das IoT-Gateway die „Digital Twin Fähigkeit“ des Assets. So wird zu jeder Zeit die thermische und elektrische Belastung überwacht und bspw. Zustand und die prognostizierte Lebensdauer des Trafos berechnet.

Weiterhin gibt es Trafos, die nicht nur zusätzliche Messtechnik und Schnittstellen besitzen, sondern auch Steuerungstechnik und Aktoren. Regelbare Ortsnetztransformatoren zeichnen sich dadurch aus, dass Sie die Spannung in einem gewissen Bereich anheben oder absenken können. Durch die Steuerungsaufgabe des Trafos ist zusätzliche Feld-Messtechnik für Strom und Spannung obligatorisch, da die Spannung bspw. auch tiefer im Netz, ggf. weit weg vom Trafo, nicht vom Spannungsband abweichen darf.

Was wird gemessen?

Die wichtigsten Messwerte, die zu erheben sind, sind die Spannung und der Strom am Transformator. Hinzu kommt ebenfalls die Überwachung von Kurz- und Erdschlussanzeigern. Ebenso baut man oft zusätzliche Temperaturfühler ein, sodass man durch lange Messreihen den Alterungsprozess eines Transformators mitverfolgen kann und so in der Lage ist, Predictive Maintenance zu betreiben. Viele Herstellerlösungen zur Digitalisierung des Stromnetzes sind jedoch nicht interoperabel mit anderen Systemen, weswegen der Einsatz der favorisierten Lösung zu überprüfen ist, da ein späterer Austausch den Netzbetreiber viel Geld kosten kann. Da Trafos jedoch eine lange Lebensdauer haben und leicht ein Alter von 30 Jahren erreichen, sind die wenigsten heute verbauten Verteilnetztrafos bereits mit Strom- oder Spannungsmesstechnik ausgestattet.

Retrofit statt neuem Transformator

Da auf Grund der langen Lebensdauer von Transformatoren bislang nur in einzelnen Fällen neue Transformatoren zum Einsatz kommen, ist die Retrofit-Messtechnik die beliebtere Alternative. Es gibt viele Anbieter auf dem Markt, die unterschiedlichste Messtechnik anbieten. Die Unterschiede bestehen vor allem in der Anzahl der Messgeräte, der Kommunikationsschnittstelle und des Preises bzw. der Art des Angebots. So verkaufen einige Hersteller ausschließlich Hardware, wobei andere ihre Messgeräte als Data-as-a-Service anbieten und die Kunden zusätzlich zum einmaligen Kaufpreis monatlich für Softwarelösungen zahlen. Einige Transformatorenhersteller bieten die Messgeräte für ihre eigenen Transformatoren auch als Retrofit an, was sinnvoll sein kann, wenn man gleichzeitig auch neue Trafos mit der Technik des Herstellers kauft. Anstatt teure Fertiglösungen von diversen Herstellern zu kaufen, ist es auch möglich, Industriemessgeräte für die Messung am Trafo zu nutzen. Die nötige Konnektivität zur Datenauslesung, die die Speziallösungen oft mitbringen, muss dann natürlich auch mit dem gewählten Messgerät kompatibel sein.

Datenübertragung

Sind die Messgeräte eingebaut und bereit, kontinuierlich Messdaten aufzunehmen, sind die Daten zur weiteren Verarbeitung weiterzuleiten. Industrielle Messgeräte bspw. besitzen oft RS232- oder Ethernetschnittstellen. Ist eine direkte Anbindung an das Internet über Ethernet möglich, können die Daten einfach darüber verschickt werden. Die allermeisten Verteilnetztransformatoren stehen jedoch an Orten ohne direkten Internetanschluss. Deshalb ist Funktechnologie für die Datenübertragung sehr beliebt. Durch die hohe Netzabdeckung liegt die Wahl einer Mobilfunkverbindung über das öffentliche Mobilfunknetz nahe. Da in diesem Fall kein Aufbau einer Kommunikationsinfrastruktur erforderlich ist, ist eine schnelle Umsetzung der Kommunikationsstrecke möglich. Der Nachteil: hohe variable Kosten pro Monat (OPEX-Kosten), wie auch bei privaten SIM-Karten. Eine Alternative stellt die Datenübertragung über LPWAN Netze wie z. B. LoRaWAN dar. Im besten Fall steht einem ein solches Netz bereits zur Verfügung, was dann ohne zusätzliche Gebühren für die eigenen Sensoren genutzt werden kann.

Mehrwert der Daten

Vor allem drei Use-Cases können definiert werden. Der wichtigste davon ist die optimierte Netzplanung bzw. der Netzausbau. Durch die verbesserte Datenbasis ist eine höhere Prozesseffizienz im Netzbetrieb möglich. Die Daten bilden die Entscheidungsgrundlage dafür, an welcher Stelle des Netzes welche Assets in welchem Umfang auszubauen oder auszutauschen sind. Kommt es an einer Stelle des Netzes beispielsweise regelmäßig zu einer Über- oder Unterschreitung des Spannungsbands, ist anstatt des Einbaus eines teuren, größeren Trafos und neuer Leitungen der Aufbau eines regelbaren Ortsnetztransformators oder eines Einzelstrangreglers möglich. Durch den Einsatz intelligenter Lösungen ist die Einsparung von Investitionskosten gegenüber dem konventionellen Ausbau möglich.

Weiterhin gibt es gesetzliche Vorgaben, für die die Daten in Zukunft notwendig sein könnten. Im Referentenentwurf der EnWG Novelle steht unter §14d u. a., dass die Verteilnetzbetreiber alle zwei Jahre ihren Netzausbauplan vorlegen müssen. Dieser enthält insbesondere Netzkarten mit Engpassregionen, Anschlüssen für Erzeugungsanlagen und Lasten (bspw. E-Auto-Ladesäulen), geplante Optimierungs-, Verstärkungs- und Ausbau-Maßnahmen und detaillierte Angabe der engpassbehafteten Leitungsabschnitte und der jeweiligen Maßnahmen. Ohne eine geeignete Datenlage wird es für die Netzbetreiber wahrscheinlich schwierig, glaubhafte Angaben zu machen.

Zuletzt hilft das Monitoring der Transformatoren auch bei einem effizienteren Betrieb. Um Stromausfälle und damit zusätzliche Kosten zu vermeiden, ist die Anwendung von Predictive Maintenance-Lösungen auf die Assets im Netz möglich. Erkennt man anhand der Daten Anzeichen eines fortgeschrittenen Alterungsprozesses, ist bereits eine frühe Reparatur oder ein vorgezogener Austausch des Transformators sinnvoll. Außerdem könnten die Daten aus dem Verteilnetz helfen, bessere Entscheidungen bei Schaltvorgängen im Hoch- und Höchstspannungsnetz zu treffen. So wird ein Stromausfall aufgrund von falschen Schaltvorgängen noch unwahrscheinlicher.

Anmerkung: Dieser Blogartikel entstand im Rahmen der Masterarbeit von Jan Frankemöll im Zusammenhang mit dem Thema „Einsatz intelligenter Technologie zur Prozessverbesserung und des Betriebs im Verteilnetz“.

Hoch hinaus beim LoRaWAN-Netzaufbau

Die Standortsuche: Ober sticht Unter

Der LoRaWAN-Netzaufbau stellt jedes Stadtwerk vor eine erste Grundherausforderung. Welche Standorte sind geeignet und welche technischen Restriktionen sind zu beachten? Um ein solches Netz zu errichten, sind potenzielle Standorte zur Installation von LoRa-Gateways erforderlich. Als Erstes gelangen natürlich firmeneigene Standorte in den engeren Fokus, da keine Miet- oder Pachtkosten für den Gatewaystandort anfallen. Zusätzliche Themen wie Stromversorgung, Blitzschutz oder Zugangsrechte sind auch einfach zu organisieren.

Besteht für die Abdeckung des gewünschten Gebiets der Bedarf einer Installation zusätzlicher Gateways, geht der Blick bei der weiteren Standortsuche gerne „nach oben“. Die Höhe ist das A und O für eine gute Netzabdeckung, wie folgendes Bild schematisch zeigt:

Funkverhalten von LoRaWAN Gateways

Während in ländlichen Gebieten das höchste Bauwerk oft Kirchen bzw. die dazugehörigen Türme sind, werden diese in Städten durch Hochhäuser oder von einem Funk- oder Fernsehturm übertroffen. So zum Beispiel auch in der nordrhein-westfälischen Landeshauptstadt Düsseldorf. Hier begleitet items die Stadtwerke Düsseldorf beim Aufbau eines LoRa-Netzes, in so genannten Zukunftsvierteln.

Vorbereitung und Installation

Das höchste Hochhaus Düsseldorfs ist mit 125 Metern immer noch um einiges niedriger als der Rheinturm mit seiner Gesamthöhe von 240,5 Metern und den Plattformen auf mehr als 160 Metern. Somit ist der Standort prädestiniert für die Platzierung eines LoRa-Gateways.

Der Rheinturm wird, wie auch andere Funktürme, durch die DFMG Deutsche Funkturm GmbH (DFMG) betrieben. Fasst man einen solchen Standort für den LoRaWAN-Netzaufbau der DFMG ins Auge, sind folgende Aspekte zu beachten.

Der erste und wohl auch naheliegendste Punkt: Es ist ein Mietvertrag abzuschließen. Die Grundlage dessen ist u. a. eine Ausführungsplanung, die durch ein von der DFMG vorgegebenes Ingenieurbüro zu erstellen ist. Zur Erstellung dessen kann unter Umständen eine Vor-Ort-Begehung notwendig sein, bei der z. B. geprüft wird, wie die Stromversorgung an der gewünschten Stelle zu erweitern ist.

Sind die Ausführungsunterlagen erstellt, von der DFMG abgenommen und ist der Mietvertrag unterschrieben, kann der Bau beginnen, der je nach Ausgangssituation wie folgt aussehen kann:

  1. Die Stromversorgung wird durch ein von der DFMG vorgegebenes Unternehmen erstellt.
  2. Die Baustelle wird min. vier Wochen vor Baubeginn angemeldet. Die notwendigen Stahlbauarbeiten sind durchzuführen.
  3. Das Gateway und notwendiges Zubehör sind zu installieren. Die Bauarbeiten sind dabei, wie von der DFMG und dem Ingenieurbüro, das die Ausführungsunterlagen erstellt hat, vorgegeben, zu dokumentieren. Der Abschluss der Bauarbeiten ist der DFMG zu melden.
  4. Das Ingenieurbüro erstellt den Bestandsplan und die DFMG erteilt die Bauabnahme.

Lessons Learned beim LoRaWAN-Netzaufbau

Von der ersten Anfrage bei der DFMG bis zur Abnahme des installierten Gateways kann der Prozess mehrere Monate dauern. Die Dienstleister waren zu beauftragen, deren Arbeit zu koordinieren und abzunehmen. Termine waren abzustimmen und Vorlaufzeiten zu berücksichtigen. Die Vielzahl der beteiligten Akteure erzeugte einen hohen Abstimmungsaufwand: Beteiligt waren DFMG (mit Asset Management und kaufmännischer Abteilung), das Ingenieurbüro für die Aufbau- und Bestandsplanung, ein Elektroinstallateur und Stahlbauer.

LoRaWAN-Netzaufbau: Installation mit 1a Aussicht und Maskottchen

Doch der Aufwand für einen erfolgreichen LoRaWAN-Netzaufbau lohnt sich: In stichpunktartigen Tests, mit einem Feldtester im PKW, wurden in verschiedenen Himmelsrichtungen Reichweiten von zwölf und mehr Kilometern erzielt. Der Spitzenwert lag bei 26 km.

Da im Stadtgebiet bis dahin erst zwei weitere Gateways installiert waren, sendeten einige Sensoren mit hohen Spreadingfaktoren. Außerdem gingen Pakete von in Schächten installierten Sensoren vereinzelt verloren. Nach der Installation auf dem Rheinturm sind die Spreadingfaktoren und Paketverluste deutlich gesunken. Die damit einhergehende verlängerte Batterielebensdauer sowie die Entlastung des Duty Cycles sind weitere positive Effekte für den Netzbetrieb.

LoRaWAN-Netzaufbau der Zukunft: Grid Insight: LPWAN

Die Projekterfahrung zeigt einmal mehr: je höher die Montage des Gateways, desto besser die Abdeckung. Diese These konnte schon in vielen weiteren Projekten und Simulationen bestätigt werden.

Gerade in der Praxis zeigt sich, dass für einen vollständigen LoRaWAN-Netzaufbau und -betrieb eine Informationsbasis zur tatsächlichen Netzabdeckung und Netzqualität gefragt ist.

Aus diesem Grund entwickelt items zusammen mit mehreren Stadtwerken das Tool Grid Insight: LPWAN, um jedem LoRaWAN-Netzbetreiber eine Aussage über die eigene Netzabdeckung in Form einer Heatmap zur Verfügung zu stellen. Eine gezielte Netzplanung und eine nachgelagerte Analyse mit Grid Insight: LPWAN bilden für viele unserer Kunden die Basis dafür, erfolgreich ein LoRaWAN-Netz zu betrieben und Anwendungsfälle realisieren zu können.

Grid Insight: LPWAN – Lösungsbausteine & Fragestellungen

Die technischen Mindestanforderungen (TMA) für das LoRaWAN-Netz

TMA LoRaWAN-Netz: Warum ein technisches Regelwerk notwendig ist

In den klassischen Energieinfrastrukturen wie Strom, Gas, Wasser oder Fernwärme ist die Einhaltung von technischen Mindeststandards zur Gewährleistung der Systemstabilität und Qualität längst selbstverständlich. Die wahrscheinlich bekanntesten technischen Mindeststandards in der Energiebranche stellen vermutlich die technischen Anschlussbedingungen (TAB) im Stromnetz da.

Dabei handelt es sich um ein Regelwerk für den Anschluss von Kundenanlagen an das Niederspannungsverteilungsnetz (0,4 kV). Dieses Regelwerk definiert die grundsätzlichen Anforderungen des Verteilungsnetzbetreibers an den Netzanschluss, die Kundenanlage und den Betrieb einer Anlage. Der Anlagenbetreiber ist verpflichtet, diese Bedingungen einzuhalten. Durch die Festlegung einer einheitlichen, technischen Vorgehensweise soll die Systemstabilität des Netzes langfristig sichergestellt werden. Auf Grund der guten Erfahrungen der letzten Jahrzehnte hat sich für jede Infrastruktursparte die Definition einheitlicher, technischer Regeln durchgesetzt.

Mit der neuen Marktentwicklung von Stadtwerken, IoT-Infrastrukturen wie u. a. LoRaWAN-Netze zu betreiben, stellt sich ähnlich wie bei Energienetzen die Frage, nach welchen technischen Regeln dieses Netz betrieben werden soll. Denn durch die zunehmende Bereitstellung der Infrastruktur an Dritte, zur Erschließung neuer Geschäftsfelder, wird die Regelung einer einheitlichen Nutzung zunehmend wichtiger. Aus diesem Grund hat die items GmbH zusammen mit einigen ihrer Kunden einen ersten Entwurf für eine TAB unter dem Namen technische Mindestanforderungen (TMA) erstellt.

TMA LoRaWAN-Netz: Überblick über die wesentlichen Regelungen

Zur Sicherstellung der technischen Mindeststandards (TMA) für LoRaWAN-Netze sind eine Vielzahl von Regelungen zu treffen. Einen groben Überblick möglicher Bausteine soll in diesem Abschnitt gegeben werden:

LoRaWAN-Gateways: Ein wesentliches Thema des LoRaWAN-Netzbetriebs ist die Festlegung der Mindeststandards für die Gateways in der TMA. Hierzu zählt u. a. die Festlegung, welche Geräte durch den LoRaWAN-Netzbetreiber zugelassen sind. Zwar ist in der Theorie ein Herstellermix möglich, erhöht jedoch langfristig den Wartungsaufwand, da bestimmte Prozesse wie das Einspielen von Updates unterschiedlich funktionieren. Oft verwenden die Hersteller auch unterschiedliche Gatewaymanagementsysteme, so dass ein Überblick mittelfristig schwieriger wird.  Daneben ist eine Vielzahl von anderen Faktoren zu regeln, z. B. wie eine Montage der Geräte zu erfolgen hat, wer die Geräte verwalten und aufbauen darf, wie eine Erschließung des Standortes erfolgt usw.

Sensorik: Neben den LoRaWAN-Gateways gilt es, die Mindestanforderungen an die Sensorik zu definieren. So ist z. B. die Festlegung der Einhaltung deutscher, technischer Mindeststandards je Sensorik zwingend erforderlich, da noch immer eine Vielzahl mangelhaft verarbeiteter Hardware im Umlauf ist. Daneben ist eine wichtige Regelung die Einhaltung des Duty-Cycle, um langfristig die Stabilität des eigenen LoRaWAN-Netzes zu gewährleisten. Zudem ist zu regeln, wer im Fall eines Verstoßes die Sensorik aus dem Netz entfernen darf.

IT-Sicherheit: Wie bei jeder anderen IT-Infrastruktur auch, sind neben den Anforderungen an die Hardware technische Mindestanforderungen an das LoRaWAN-Netz im Rahmen der IT-Sicherheit zu definieren. Dazu zählt sicherlich, ob die IT-Infrastruktur in einer Cloud oder einem Rechenzentrum betrieben werden soll. Auch ist z. B. festzulegen, wie die Gateways zum LNS abzusichern sind (Bsp. Glasfaseranschluss, M2M-Simkarten etc.).

IT-Infrastruktur & Schnittstellen: Im Rahmen des Betriebs der IT-Infrastruktur ist u. a. zu definieren, welche Infrastruktur vom Netzbetreiber vorgegeben ist und welche durch den Netznutzer selbst auswählbar sind. Zwingend erforderlich ist eine Festlegung des eingesetzten LoRaWAN-Netzwerk-Servers (LNS) und eine Regelung, wie Daten an externe LoRaWAN-Netze bereitzustellen sind. Aktuell empfehlen wir hier den Einsatz eines Multiplexers, um den Aufbau paralleler Netzinfrastruktur zu vermeiden.

Kritis-Prozesse: Da eine Vielzahl der LoRaWAN-Anwendungsfälle im Kritis-Bereich wie z. B. Stromnetze erfolgen können, ist zu klären, ob hierfür eine zusätzliche Regelung erforderlich ist. Beispielsweise kann die Festlegung eines n-1-Kriteriums für Gateways erfolgen, um im Fall eines Gatewayausfalls die Betriebsfähigkeit weiterhin sicherzustellen. Auch sollte u. a. eine Regelung getroffen werden, wie diese Informationen zu schützen sind. Aktuell empfehlen wir, hier z. B. eine Weiterleitung der Daten in das TTN-Netzwerk zu verbieten, da die Frage des Dateneigentums nicht geklärt ist.  

Assetmanagement: Ein wichtiges Thema ist der Bereich des Assetmanagements. Vor allem dann, wenn es auch Dritten gestattet ist, Gateways im LoRaWAN-Netz einzubinden. Sollten darüber hinaus externe Standorte genutzt werden, sollten die Bedingungen der Zutrittsregeln abgestimmt sein. Ebenso sollte der Netzbetreiber die Möglichkeit haben, zur Sicherstellung des Betriebs Zugriff auf die Gateways des Dritten zu haben. Daneben sollte die Verwaltung des Assetmanagements der Gateways zentral durch den Netzbetreiber erfolgen. Die erforderlichen Informationen sollten in den TMA festgehalten werden.

Netzabdeckung & -ausbau: Ein weiteres Thema ist die Regelung der Messung der Netzabdeckung und des -aufbaus. Daneben ist zu klären, wer für die Verdichtung verantwortlich ist und welche Rechte der Netznutzer gegenüber dem Netzbetreiber hat. Empfehlenswert ist es außerdem, wenn der Netzbetreiber dem Netznutzer Informationen über die aktuelle Netzabdeckung bereitstellt und die Informationen regelmäßig aktualisiert.

Technische Mindestanforderung (TMA) LoRaWAN-Netze – Themenübersicht

TMA LoRaWAN-Netz: Handlungsempfehlung

Mit der Entwicklung eigener technischer Mindestanforderungen (TMA) für das LoRaWAN-Netz sollten Stadtwerke spätestens dann beginnen, wenn eine Nutzung des Netzes durch Dritte geplant ist. Allerdings kann dies auch schon vorher erforderlich sein, wenn die Größe des Stadtwerks einen kritischen Schwellwert überschreitet und eine Vielzahl von Abteilungen das Netz nutzt. Wie bei allen Kommunikationsnetzen ist auch die Störung eines LoRaWAN-Netzes möglich, weswegen die Festlegung technischer Mindestanforderungen eine erste Präventionsmaßnahme darstellt, auf der auch die Festlegung von (künftigen) Betriebsprozessen möglich ist. Zum aktuellen Zeitpunkt verfügen wenige LoRaWAN-Netzbetreiber über eine TMA. Mit der zunehmenden Vermarktung des Netzes und der Öffnung für Dritte ist auch hier wie bei allen anderen Infrastrukturen von Stadtwerken von einem technischen Mindeststandards auszugehen.

Service der items

Da die items zahlreiche Stadtwerke auf den Weg zum IoT-Netz- und Plattformbetreiber begleitet sowie in der Projektumsetzung unterstützt, wurde zusammen mit mehreren Kunden eine erste Version der TMA erstellt. Diese kann gegen eine Einmalgebühr von der items bezogen werden. Daneben haben Stadtwerke die Möglichkeit, einen TMA-Servicevertrag abzuschließen, über den eine jährliche Überarbeitung der TMA erfolgt und dem Kunden zugstellt wird. Auf Grundlage des Musterentwurfs kann dann eine individuelle Anpassung erfolgen. Darüberhinaus unterstützen wir Kunden bei der Entwicklung ihres Organisations- und Netzbetriebskonzept für einen erfolgreichen Aufbau Ihrer IoT-Sparte. Bei Interesse an der ersten Version der TMA oder bei Beratungsbedarf zu der Thematik sprechen Sie uns gerne an.

Praxisbericht – Der digitale Bienenstock

Der digitale Bienenstock

In jedem guten Vorgarten und Stadtbild wie auch in der Natur sind Sie vertreten die Bienen. Meist gelten Sie in unserer Gesellschaft als ein gutes Zeichen für eine intakte Umwelt sowie Vorboten des Frühlings. Bedingt durch den Klimawandel und die zunehmende Umweltverschmutzung ist die Lebensgrundlage der Bienen zunehmend bedroht. Aus diesem Grund hat sich die items GmbH entschlossen im Kontext der Smart-City mehr über das Leben und den Zustand unserer kleinen Stadtbewohner zu erfahren und eine Abschlussarbeit zum Thema digitaler Bienenstock vergeben. Im Rahmen seiner Abschlussarbeit durfte unser Praktikant Leon Weber sich mit den verschiedenen Technologien zur Digitalisierung von Bienenstöcken mit dem Schwerpunkt LoRaWAN beschäftigen.

Dauerhafte Überwachung von Bienen

Laut dem deutschen Imkerbund zählen Honigbienen wegen ihrer Bestäubungsleistung zu den wichtigsten landwirtschaftlichen Nutztieren. Durch die Arbeit der Bienen wird der Erhalt von Nutz- und Wildpflanzen gesichert. Daher ist es wichtig sich stets über das Wohlergehen eines Bienenvolkes auf dem Laufenden zu halten. Dort kommt die Digitalisierung von Bienenstöcken mithilfe von Sensoren ins Spiel.
Durch die ständige Überwachung des Bienenschwarms kann man sich stets über dessen Zustand informieren. Dadurch kann ein Imker bei ungewöhnlichem Verhalten des Bienenvolkes sofort reagieren und somit verhindern, dass ein gesamtes Volk stirbt oder den Bienenstock verlässt. Außerdem ist eine Optimierung des Honigertrages mögliches. Gleichzeitig können zusätzliche Daten für Forschungsprojekte in diesem Bereich gesammelt werden.

LoRaWAN vs. Mobilfunk

Um die Bienen aus der Ferne überwachen zu können, ist die Übertragung der gemessenen Werte an einen Server notwendig. Viele bereits etablierte Systeme zum Bienen-Monitoring nutzen dafür das Mobilfunknetz, da in Deutschland eine nahezu 100-prozentige Netzabdeckung existiert. Die items GmbH hat bisher diverse LoRaWAN-Projekte in Kooperation mit Stadtwerken realisiert. Aus diesem Grund sollte ein System verwendet werden, das sich dieser Technik bedient.

Um die Vorteile und Nachteile beider Übertragungsarten in diesem Use-Case zu vergleichen, werden unterschiedliche Sensorik-Systeme an baugleichen Bienenstöcken angebracht. Hier sieht die items GmbH in der Umsetzung des digitalen Bienenstocks mittels LoRaWAN auf Grund der Energieeffizienz und hohen Reichweite der Technologie einen erheblichen Vorteil gegenüber dem Mobilfunknetz. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der Bachelorarbeit ein Technologievergleich mit unterschiedlichen Varianten durchgeführt. Die Vorstellung der eingesetzten Sensorik erfolgt in diesem Artikel. Konkret wurden drei verschiedene Varianten getestet. Zwei der Varianten basierten auf LoRaWAN. Eine auf dem Mobilfunknetz.

Digitalter Bienenstock Variante 1 All-in-One

Digitaler Bienenstock Variante 1: All-in-One

Das All-in-One Modell ist von dem Unternehmen Wolf Waagen und die Produktbezeichnung lautet ApiGraph 3.1. Dieses Produkt beinhaltet eine Waage für den Bienenstock und einen Sensor für Temperatur und Luftfeuchtigkeit.

Um genauere Daten der Umgebung zu erfassen, gibt es als Zubehör noch eine Wetterstation, die Wind und Niederschlag misst. Diese Sensoreinheit ist per Funk mit der Waage verbunden. Die Platzierung ist laut Hersteller bis zu 30 Meter von der Waage möglich.

Mittels eines weiteren Termperaturfühlers ist neben der Messung von Werten außerhalb des Bienenstocks die Datenerhebung auch innerhalb möglich. Somit erfolgt eine Überwachung der Temperatur im Inneren des Bienenstocks. Der Nachteil daran ist, dass dadurch nur eine Messung im Brutraum des Bienenstocks stattfindet. Die sogenannte „Traube“ (Kugelförmige Ansammlung von Bienen) bewegt sich im Laufe der Zeit innerhalb des Brutraumes. Somit ist die Temperaturmessung mit nur einem Sensor ungenau sobald sich die Traube bewegt. Dies erfordert eine Umpositionierung des Temperaturfühlers.

Der digitale Bienenstock Variante 1 All-in-One Sensorik

Die Bienenstockwaage übermittelt die Messwerte mit Hilfe eines GSM-Moduls über das Mobilfunknetz. Die Übertragung der Messwerte erfolgt ein- bis dreimal täglich. Je öfter die Datenübertragung erfolgt, desto geringer beträgt die Akkulaufzeit des Gerätes. Es gibt auch einen Live-Modus, der alle fünf Minuten die gemessenen Werte an den Server übermittelt. Bei diesem Modus ist aber eine dauerhafte Stromversorgung notwendig. Laut dem Hersteller muss der Akku nur ein- bis zweimal im Jahr aufgeladen werden, sofern maximal eine Datenübertragung pro Tag erfolgt.

Außerdem bietet der Hersteller Wolf Waagen eine eigene Software zur Visualisierung der Messergebnisse an. Die Darstellung der Messwerte erfolgt komprimiert in zwei Diagrammen. Unterhalb der Diagramme sind die aufgelisteten Messwerte nochmals in einer Tabelle entnehmbar.

Der digitale Bienenstock Dashboard All-in-One Variante

Der digitale Bienenstock Variante 2: LoRaWAN Fertig-Module

Die zweite Variante besteht aus drei verschiedenen LoRaWAN-Sensoren und einer selbstgebauten Waage. Für das Umweltmonitoring wird der Außensensor RAK7205 von RAK verwendet. Dieser misst Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck und Gase. Des Weiteren ist er mit einem GPS-Modul ausgestattet und wird mit Hilfe einer Solarzelle aufgeladen. Das Gehäuse ist wasserdicht. Eine Platzierung im Freien ist somit problemlos möglich. Bei der Montage ist darauf zu achten, dass der Sensor nicht einer erhöhten Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist, da dies die Temperaturmessung verfälscht. Zur Gewährleistung einer reibungslosen Aufladung des Akkus durch die Solarzelle, ist eine Erfassung des Sensors über einen gewissen Zeitraum allerdings notwendig.

Der digitale Bienenstock Variante 2 LoRa-Fertigmodule

Der Hauptsensor dieses Systems ist vom Hersteller Dragino und ist ein wasserdichter Sensor-Knoten. Die Produktbezeichnung lautet LSN50 v2. An ihm ist die selbstgebaute Waage und ein Temperatursensor angeschlossen. Der Temperaturfühler wird, wie bei dem Gerät von Wolf Waagen, im Brutraum des Bienenstocks platziert.

Der digitale Bienenstock Variante 2 LoRaWAN-Waage

Um zusätzliche Genauigkeit bei der Temperaturmessung zu erreichen, ist der Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensor LHT65 von Dragino im Inneren des Bienenstocks befestigt. Der Sensor ist im Deckel des Bienenstocks angebracht und misst dort die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit. Der externe Temperaturfühler hängt im Brutraum. Die Sensoren liefern somit zwei Temperaturmessungen im Brutraum und drei im gesamten Bienenstock. Die Messwerte wurden in einem Grafana-Dashboard dargestellt.

Am Anfang des Dashboards sind vier Paneele, die die aktuellen Wetterdaten und Wetterprognosen zeigen. Die Datenbereitstellung erfolgt über eine Schnittstelle des Deutschen Wetterdienstes.

Der digitale Bienenstock Grafana Dashboard Teil 1

Unterhalb der Wetterübersicht sind die Temperaturen und die Luftfeuchtigkeit im Bienenstock und die Außentemperatur aufgelistet. Die Visualisierung der Temperaturen erfolgt einzeln und zusätzlich in einem gemeinsamen Diagramm, um Abweichungen voneinander zu verdeutlichen.

Der digitale Bienenstock Grafana Dashboard Teil 2

Die Gewichtsmessung wird mit vier verschiedenen Paneelen dargestellt. Die oberen zwei Darstellungen zeigen den Gewichtsverlauf und den letzten gemessenen Wert an. Die beiden Unteren fokussieren sich auf den Ertrag bzw. die Gewichtsschwankungen im Bienenstock.

Der digitale Bienenstock Grafana Dashboard Teil 3

Am Ende des Dashboards werden noch die Werte des Außensensors dargestellt.

Der digitale Bienenstock Grafana Dashboard Teil 4

Der digitale Bienenstock Variante 3: Vollständiger Eigenbau

Die dritte Variante zur Überwachung des Bienenstocks besteht aus einer selbstgebauten Lösung und ist somit individuell auf den Use-Case angepasst. Das System basiert auf dem Heltec Cubecell Entwicklerboard, das einen LoRa-Chip bereits installiert hat.
Fünf Sensoren sind für die Überwachung des Bienenstocks verantwortlich. Bei vier der Sensoren handelt es sich um Temperatursensoren. Der Fünfte misst die Luftfeuchtigkeit und die Temperatur. Die Bewegung der Bienen im Inneren ist somit nachvollziehbar. Eine Umplatzierung von Sensoren ist nicht erforderlich. Ein weiterer Temperaturfühler übernimmt die Aufgabe der Außentemperaturmessung.

Bei dieser Variante kommt die gleiche Waagen-Konstruktion zum Einsatz wie bei den LoRaWAN Fertig-Modulen. Auf dem Gehäuse ist eine Solarzelle angebracht, damit eine Aufladung des Akkus nicht von Hand erforderlich ist und somit weniger Wartungszeit in Anspruch nimmt. Die Visualisierung der Daten geschieht ebenfalls mittels eines Grafana-Dashboards.

Der digitale Bienenstock Variante 3 Aufbau im Bienenstock
Der digitale Bienenstock Variante 3 Waage im Eigenbau

Nutzung der Daten für die Forschung

Die Sensorik zur Digitalisierung von Bienenstöcken soll der FH Münster im kommenden Jahr bereitgestellt werden und wurde im Rahmen einer Bachelorarbeit bei der items GmbH von Leon Weber entwickelt. Geplant ist eine Auswertung der generierten Daten aus den Jahren 2020 und 2021, um neue Erkenntnisse für die Forschung zu sammeln. Wir als items freuen uns auf die Ergebnisse in diesem Jahr. Wenn ihr mehr über das Thema erfahren möchtet, sprecht uns gerne an.

LoRaWAN und 450MHz – Status Quo und weitergehende Fragestellungen

Civitas Connect als kommunale Kooperationsplattform und das Netzwerk Energiewirtschaft wollen gemeinsam Stadtwerke bei der digitalen Daseinsvorsorge unterstützen. Dazu möchten wir in einer Workshopreihe zusammen mit dem Cluster Energieforschung NRW sowohl Anwendungsfälle als auch Forschungsbedarfe in diesem Zusammenhang beleuchten. In den Workshops möchten wir den Stand der Wissenschaft themenbezogen erörtern und Forschungsideen identifizierten.

Digitale Infrastrukturen gehören genauso zur Daseinsvorsorge wie die Versorgung mit Strom, Wärme oder Wasser. Doch endet die Digitale Daseinsvorsorge mit dem Zugang zum Internet? Der passende Technologiemix ist von elementarer Bedeutung, denn nicht nur für den Internetzugang beim Kunden bedarf es einer verfügbaren, belastbaren und bezahlbaren Infrastruktur. Auch die Digitalisierung von Kommune und Region erfordert eine IT-Basis-Infrastruktur, die mit den vielseitigen Herausforderungen umgehen kann. Lange Laufzeiten der Sensorik – auch ohne externe Stromversorgung – hohe Bandbreiten, mobile Datenkommunikation und wirtschaftliche Installation sind nur einige der oft gegensätzlichen Anforderungen an die Kommunikationsinfrastrukturen.

Am Ende kommt es auf das Zusammenspiel von Technologiemix, Know How und Nähe zu den lokalen und kommunalen Akteuren an. Stadtwerke nehmen beim Betrieb der Infrastrukturen eine Schlüsselrolle ein und werden so zum Treiber und Betreiber der smarten Stadt und der smarten Region. Doch was sind die verfügbaren und richtigen Technologien für die digitale Daseinsvorsorge? Bei der Auftaktveranstaltung am 9. Dezember wird Prof. Dr. Wietfeld von der TU Dortmund zu den Schlüsseltechnologien einen Einblick in die aktuelle Umsetzung und Weiterentwicklung aus der Forschung geben: Was sind die Chancen und Grenzen von LoRaWAN? Wie hängen NB-IoT und 5G zusammen und was ist eigentlich mit 5G und 450 MHz?

Die Online-Veranstaltung wird mit dem Tool „Zoom“ durchgeführt. Den entsprechenden Zugangslink für den virtuellen Raum erhalten Sie kurz vor Beginn der Veranstaltung.

Anmeldungen zum Webinar unter folgendem Link.

COVID-Melder: Mit dem LoRaWAN CO2-Sensor die Covid-19-Pandemie eindämmen

CO2-Konzentration als Indikator für Aerosole

Lang ersehnt und endlich da: Die COVID-Impfstoffe, die die Menschen auf dieser Welt vor einer Corona-Erkrankung bewahren sollen. Doch ist die Bevölkerung längst noch nicht ausreichend geimpft. Somit heißt es weiter Masken tragen und in geschlossenen Räumen regelmäßig lüften. Doch wann genau ist die regelmäßige Zeit zum Lüften? Die items hat hierfür einen Anwendungsfall zur Überwachung mittels CO2-Sensor auf LoRaWAN – Basis realisiert und mehrere Devices getestet. Das Ergebnis ist ein COVID-Melder, der als fertiges Produkt von der items bezogen werden kann.

Die Grundlage für einen Hinweis, dass die Durchführung einer Lüftungsmaßnahme erforderlich ist, um Aerosole in der Luft zu reduzieren, ist die Relation zum CO2-Gehalt in der Luft, da bei einer erhöhten CO2-Konzentration in der Luft auch auf eine höhere Anzahl von Aerosolen geschlossen werden kann. Durch die Einbindung der LoRaWAN-Technologie können Räume, in denen solche CO2 Sensoren angebracht sind, aus der Ferne beobachtet werden. Neben der Überwachung aus der Ferne soll bei der Überschreitung eines kritischen CO2-Wertes auch eine Alarmierung im Raum erfolgen. Im Rahmen des Beitrags stellt die items GmbH für diesen Use-Case vier unterschiedliche LoRaWAN-Sensoren vor, die den CO2-Gehalt in der Luft erfassen können.

COVID-Melder: Elsys ERS CO2 Sensor

Der CO2-Sensor des schwedischen Herstellers Elsys misst Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Bewegung, Licht und die CO2-Konzentration in einem Raum. Dieser LoRaWAN-CO2-Sensor ist am längsten im Einsatz des items-IoT-Teams. Der Langzeittest zeigt, dass der Sensor stets zuverlässige Messwerte ermittelt.
Durch sein schlichtes Design fällt der Sensor kaum auf, wenn er an einer weißen Wand befestigt ist. Der Nachteil ist, dass kein direktes visuelles Feedback über die Raumluftqualität möglich ist, da der CO2 Sensor nicht über ein entsprechendes Display verfügt. Der Sensor ist mit NFC-Funktionalitäten ausgestattet und somit leicht mit einem Smartphone konfigurierbar. Die dazugehörige App ist nur für Android-Geräte erhältlich.

LoRaWAN Elsys CO2-Sensor
LoRaWAN Elsys CO2-Sensor

COVID-Melder: Ursalink AM102 CO2- Sensor

Ursalink bietet einen CO2-Sensor an, der neben den Messwerten des Konkurrenzproduktes von Elsys noch den Luftdruck und flüchtige organische Verbindungen (TVOC) misst. Außerdem ist das Gehäuse mit einem E-Ink-Display ausgestattet, auf dem die Darstellung der erhobenen Messwerte erfolgt. Die gemessenen Daten werden ebenfalls mittels LoRaWAN übertragen und können dadurch aus der Ferne ausgewertet werden. Dieser CO2 Sensor verfügt ebenfalls über NFC-Funktionalitäten und ist mit dem Smartphone konfigurierbar. Die App von Ursalink ist für Android- und iOS-Geräte erhältlich.

LoRaWAN Ursalink AM102 CO2-Sensor
LoRaWAN Ursalink AM102 CO2-Sensor

COVID-Melder: Mutelcor MTC-CO2-01

Der CO2-Sensor von Mutelcor legt seinen Fokus auf die Alarmierung bei einer zu hohen CO2-Konzentration in einem Raum und wird daher von der items GmbH präferiert zur Überwachung von Schulen oder Kitas verwendet. Da die Anzahl der Personen gerade in diesen Gebäuden nicht bekannt ist, stellt die automatische Alarmfunktion ein wesentlicher Baustein da. Apps oder andere technische Lösungen sind somit unnötig. Gleichzeitig dienen die übertragenen Messwerte als Beleg für die regelmäßige Durchführung der Lüftung.

Aus diesem Grund misst dieser Sensor nur CO2, Luftfeuchtigkeit und die Temperatur. Der Hersteller bietet die Möglichkeit, bis zu vier Grenzwerte für die CO2-Konzentration zu konfigurieren. Außerdem ist eine Wahl zwischen einer einfarbigen (Rot) oder einer zweifarbigen (Rot/Gelb) LED möglich. Eine Konfiguration könnte wie folgend aussehen:

  • Ab 800 ppm CO2: Gelbe LED leuchtet
  • Ab 1000 ppm CO2: Rote LED leuchtet
  • Ab 1200 ppm CO2: Rote LED blinkt + 3x Piepton

Der CO2 Sensor sendet in einem regelmäßigen Intervall seine Messwerte über LoRaWAN. Steigt die CO2-Konzetration über einen der Grenzwerte, sendet der Sensor sofort seine Messwerte und den überschrittenen Grenzwert mit LoRaWAN.
Die Grenzwerte, die Dauer des Warnsignals und das Sendeintervall können mit Hilfe von OTA-Befehlen (Over-The-Air) aus der Ferne geändert werden.
Das Gerät ist dauerhaft per Kabel mit Strom zu versorgen. Dies ist ein Nachteil und gleichzeitig auch ein Vorteil. Der Nachteil ist, dass dadurch die Positionierung des Geräts eingeschränkt ist. Der Vorteil wiederum ist, dass dadurch die CO2-Messung in einem 2-3 sekündlichen Intervall durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass der Sensor sofort auf eine Grenzwertüberschreitung reagiert und nicht von dem LoRa-Sendeintervall beeinträchtigt ist.

LoRaWAN CO2 Sensor Mutelcore MTC-CO2-01
LoRaWAN CO2-Sensor Mutelcore MTC-CO2-01

COVID-Melder: Clevabit Raumluftampel CO2-Sensor

Die Raumluftampel von Clevabit fokussiert sich auf die Visualisierung der CO2-Konzentration und somit auch auf die Alarmierung. Genauso wie das Gerät von Mutelcor misst dieser Sensor CO2, Luftfeuchtigkeit und Temperatur und benötigt eine externe Stromversorgung. Das besondere Merkmal dieses Produkts ist die Darstellung der Raumluftqualität. In dem Gerät sind 8 kreisförmig angeordnete, farbige LEDs verbaut, die je nach CO2-Konzentration die Farbe ändern. Mögliche Konfiguration:

  • Ab 400 ppm CO2: LEDs leuchten Grün
  • Ab 800 ppm CO2: LEDs leuchten Gelb
  • Ab 1000 ppm CO2: LEDs leuchten Rot
  • Ab 1200 ppm CO2: LEDs blinken Rot + Warnsignal

Dadurch kann jeder Beteiligte in einem Raum nachvollziehen, wie hoch die aktuelle CO2-Konzentration ist. Den Sensor gibt es ebenfalls in einer Variante, die die Messwerte mittels LoRaWAN überträgt. Der CO2 Sensor befindet sich noch aktuell im Test, weswegen eine finale Beurteilung noch nicht erfolgt ist.

Vergleich der CO2-Sensor Messwerte

Die unterschiedlichen Ergebnisse der CO2-Messung sind zur Veranschaulichung gebündelt in einem Grafana-Dashboard dargestellt.

Vergleich der CO2 Sensor Messwerte
Vergleich der Messreihen in einem Grafana Dashboard

Zu Beginn des Tests waren alle drei Messwerte fast identisch. Jeder der Sensoren verfügt über eine automatische Kalibrierung. Das bedeutet, dass nach einer gewissen Zeitspanne der niedrigste gemessene Wert als Frischluft angenommen wird (ungefähr 400 ppm). Dementsprechend erfolgt die Anpassung der Messwerte. Die Sensoren kalibrieren sich zu unterschiedlichen Zeiten neu. Dadurch können die verschiedenen CO2-Konzentrationen aus dem Dashboard zustande kommen, obwohl die Sensoren im gleichen Raum platziert sind.

Fazit

Die CO2-Sensoren von Mutelcor und Clevabit sind perfekt dafür geeignet, um in Schulen oder Bürogebäuden eingesetzt zu werden, da sie ein direktes Feedback geben und somit alle Anwesenden in einem Raum sofort informieren. Das E-Ink-Display des Ursalink-Sensors ist nur auf kurze Entfernung gut erkennbar und der Sensor von Elsys hat keinerlei visuelles Feedback. Aus diesem Grund ist der kombinierte Einsatz der Produkte mit einem Dashboard besser.

Schon vor der Pandemie hatte das Umweltbundesamt empfohlen, dass der CO2-Gehalt in Unterrichtsräumen nicht über 1000 ppm liegen sollte. Das bedeutet, dass die CO2 Sensoren, die jetzt zur Eindämmung der Covid-19-Verbreitung eingesetzt werden, auch weiterhin verwendet werden können, um für eine gute Raumluft in Schulen oder Bürogebäuden zu sorgen.

LoRaWAN-Pegelsonden: Drei Schritte zur sicheren Trinkwasserversorgung

Pegelsonden – Das Messinstrument zur Grundwasserbestimmung

Grundwassermessstellen sind für den Laien oft unscheinbare Stellen in der Landschaft. Lediglich eine kleine Betonplatte und ein kurzes Stahlrohr deuten auf die Pegelsonde hin. Dabei spielen Pegelsonden in der Wasserwirtschaft eine bedeutende Rolle zur Messung des Grundwasserspiegels, weswegen LoRaWAN-Pegelsonden in den Fokus der Wasserwirtschaft rücken.

Die eingesetzten Pegelsonden liefern Daten, die Rückschlüsse auf die Höhe des Grundwasserspiegels am Messpunkt ermöglichen. In Zeiten zunehmender Trockenheit und Trinkwasserknappheit sowie sinkender Grundwasserspiegel wächst die Bedeutung der Messwerte von Pegelsonden mit steigender Tendenz. Hierfür ist allerdings erst einmal ein besseres Verständnis von Grundwassermessstellen erforderlich.

Zweck der Grundwassermessstellen & Herausforderungen der Datenerhebung

Die Einrichtung von Grundwassermessstellen erfolgt, um Angaben zur räumlichen Verteilung und zeitlichen Veränderlichkeit des Grundwasserpotenzials oder der Porenwasserdrücke im Untergrund zu erhalten. Außerdem dienen Grundwassermessstellen zur Überwachung der Grundwasserqualität. Zur Ermittlung des Grundwasserstands wird im ersten Schritt der Höhenunterschied zwischen Messpunkt und Grundwasserspiegel manuell z. B. mit Hilfe eines Lichtlots oder mit einer autarken elektronischen Messeinrichtung (Datenlogger) gemessen.

Die Erhebung der Messdaten ist jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden, da in der Praxis oft das Turnschuhprinzip Anwendung findet – es handelt sich um manuelle Ablesungen vor Ort. Durch den hohen Zeitaufwand der Ablesung vor Ort erfolgt die Datenerhebung nur an wenigen Tagen im Jahr. Eine Aussage über die Entwicklung des Grundwasserspiegels zur langfristigen Sicherstellung der Trinkwasserversorgung ist auf Grund der unzureichenden Datenlage schwierig. Gerade an heißen Tagen oder in Perioden anhaltender Dürre wäre eine bessere Datenbasis hilfreich, um die Auswirkungen auf die Grundwasserspiegel besser abschätzen zu können. Daher sind Systeme erforderlich, die zu einer besseren Datenerfassung beitragen.

Aufbau einer LoRaWAN-Pegelsonde

Schritt 1: Auswahl LoRaWAN-Pegelsonden

Das Problem der mangelnden Datenbasis ist durch den Einsatz von LoRaWAN-Pegelsonden in der Wasserwirtschaft lösbar. Durch den Aufbau eines LoRaWAN–Netzes sowie den Einsatz LoRaWAN-fähiger Pegelsonden ist die Datenerfassung nach dem Turnschuhprinzip nicht mehr notwendig. Vielmehr erfolgt die Datenerhebung automatisiert und in einer höheren Granularität. Die Daten können im ersten Schritt zum Echtzeitmonitoring des Grundwassers sowie perspektivisch zur Prognose zukünftiger Grundwasserspiegel in Abhängigkeit vom Wetter sowie Verbrauchverhalten analysiert werden.

Zur Umsetzung des Anwendungsfalls LoRaWAN-Pegelsonden ist im ersten Schritt die Auswahl der geeigneten Sensorik erforderlich. Mittlerweile ist der Bezug von LoRaWAN-Pegelsonden bei allen gängigen Herstellern für Sensorik für die Wasserwirtschaft möglich. Anfang des Jahres wurden Sensoren von drei verschiedenen Herstellern intensiv im LoRa-Lab der items getestet. Aktuell laufen mehrere Piloten, bei denen der Test der Sensorik im freien Feld erfolgt. Die Messergebnisse und die Erreichbarkeit der Pegelsonden über das LoRaWAN-Netz sind nach ein paar Anpassungen bislang zufriedenstellend, so dass erste Gespräche über einen flächendeckenden Rollout stattfinden.

Die Technologie LoRaWAN eignet sich besonders für die Auslesung von Pegelsonden, da diese über das gesamte Versorgungsgebiet verteilt sind und in vielen Außenbereichen keine Mobilfunkverbindung besteht. Durch die große Reichweite und den niedrigen Energieverbrauch eignen sich LoRaWAN-Pegelsonden optimal für die Sicherstellung einer kostengünstigen und langfristigen Fernauslesung.

Schritt 2: Visualisierung der LoRaWAN-Pegelsonden

Da die bloße Übermittlung von Datenpaketen zur Fernauslesung noch keine Transparenz über den Zustand sowie die Entwicklung der Grundwasserstände bringt, ist eine Aufbereitung in Form einer grafischen Visualisierung erforderlich. Hier liefert items mit der Lösung Grid Insight: Water und dem Modul Pegelstände eine erste Möglichkeit, die Entwicklung von Grundwasserständen transparent darzustellen.

Durch den Einsatz des Moduls Pegelstände ist sowohl eine Analyse der historischen Pegelstände als auch ein Echtzeitmonitoring möglich. Durch die Integration der Pegelstände in Grid Insight: Water ist es der Fachabteilung möglich, weiter im eigenen Fachsystem ohne zusätzliches IT-Know-how zu arbeiten. Ein Absprung auf die IoT-Plattform oder die aufwändige Analyse und Aufbereitung einer csv-Datei ist nicht mehr notwendig. Gleichzeitig verarbeitet das Modul die historischen Daten und kann im dritten Schritt die zukünftige Entwicklung der Grundwasserstände unter Berücksichtigung externer Faktoren analysieren.

Grid Insight: Water Modul Pegelstandsprognose

Schritt 3: Prognose der Stände der LoRaWAN-Pegelsonden

Liegen die historischen Pegelstände der letzten 1-2 Jahre vor und ist ein flächendeckendes Echtzeitmonitoring installiert, ist die Implementierung einer Brunnenpegelstandsprognose möglich. Die Brunnenpegelstandsprognose ist stark von der Wetterlage bzw. Wetterentwicklung abhängig und wird für die operative Produktions- und Speicherplanung verwendet. Gegen zukünftige Engpässe in der Trinkwasserversorgung kann frühzeitig gegengesteuert werden. Einschränkungen im Trinkwasserverbrauch für Bürger sind so vermeid- bzw. reduzierbar.

Bislang war die Umsetzung einer Brunnenpegelstandsprognose nicht möglich, da die Datenerhebung nicht ausreichte. Die Prognose war bislang lediglich durch die individuelle Expertise des eigenen Personals möglich, sozusagen auf Basis von „Bauchwerten“. Durch den demographischen Wandel nimmt diese Expertise zunehmend ab, weswegen das Wissen innerhalb der Firma mittels künstlicher Intelligenz gesichert werden muss. Die Berücksichtigung externer Einflüsse ist durch den Einsatz von Grid Insight: Water möglich. Kennzahlen zur Steigerung des operativen Betriebs sind individuell abbildbar. Fehlende Planbarkeit, z. B. zur Einschätzung aktueller Risikolagen, sind frühzeitiger erkennbar.

Vorgehensmodell Pegelstandsprognose

Wenn ihr mehr Informationen rund um das Thema LoRaWAN-Pegelsonden oder zu unserem Produkt Grid Insight: Water erfahren möchtet, sprecht uns gerne an! Über die URL www.grid-insight.de könnt ihr unser Tool Grid Insight: Water selbst testen.

Füllstandsensor Apollon (Alpha-Version)

News aus dem LoRa-Lab: Brunnenpegelsonden

Es gibt mittlerweile immer mehr LoRaWAN-Sensorik auf dem Markt. Viele namhafte Hersteller machen ihre Sensorik LoRaWAN-fit. Die Qualität der Sensoren variiert dabei und auch die Einrichtung ist oft unterschiedlich komplex. Aus diesem Grund testen wir in unserem LoRa-Lab die spezifischen Sensoren für die verschiedenen Anwendungsfälle unserer Kunden und wollen euch über die wichtigsten Sensoren auf dem Laufenden halten. Dieses Mal im Fokus: Brunnenpegelsonden und Füllstandsensoren.

Füllstandsensor Apollon

Seit einigen Wochen befindet sich der Füllstandsensor im Lab des items IoT-Teams. Der vorliegende Sensor ist eine Alpha-Version in einem provisorischen Gehäuse. Zunächst lag das Augenmerk des Tests auf der Messgenauigkeit. Hierfür haben wir den Sensor zum Beispiel über einem Mülleimer platziert. Außerdem wurde ein Indoor-Reichweitentest durchgeführt und dafür der Sensor in Objekte verschiedener Materialien und Entfernungen vom Indoor-Gateway gelegt. Die Messgenauigkeit und Erreichbarkeit ist überzeugend. Standardmäßig wird alle 6 Stunden oder wenn sich der Füllstand ändert, ein Datenpaket versendet. Die Einrichtung eines kürzeren Sendeintervalls ist uns bislang jedoch nicht geglückt. Laut Hersteller wird dies bei Verfügbarkeit der finalen Version und zugehöriger Software erleichtert. In einigen Tagen wird der provisorische Sensor in einem Altkleidercontainer installiert. Sobald der endgültige Füllstandsensor mit einem IP-Schutzgehäuse verfügbar ist, wird auch dieser getestet. Mit Hilfe eines integrieren Magnetfeldsensors und einem entsprechend platzierten Sensor wird dann geprüft, ob sich detektieren lässt, dass sich die Klappe des Containers öffnet.

IoT ERP Bridge – Integration von IoT Daten in ERP Systeme

ERP- und IoT-Syteme

Die SAP-Industrielösung für Versorgungsunternehmen (IS-U) ist ein Abrechnungssystem für die Energiewirtschaft und basiert auf dem Enterprise Resource Planning-System der SAP. Aus seiner Funktion als Abrechnungssystem für Zählerstände und Energiemengen bietet es eine Vielzahl an Schnittstellen und Lösungen von Drittanbietern. So ist neben der manuellen Eingabe von Zählerständen eine automatisierte Erfassung, Validierung und Verarbeitung aus Umsystemen und Schnittstellen möglich. Je nach ausgeprägter Marktrolle (Lieferant, Netzbetreiber, Messstellenbetreiber) nutzt ein IS-U dafür typischerweise verschiedene Kommunikationskanäle:

 

  • Ablesungen aus der Zählerfernauslesung
  • Ablesungen aus mobiler Datenerfassung
  • Ablesungen über Schnittstellen für Dienstleister
  • Kundenselbstablesung über Kundenportal
  • Ablesungen über Marktkommunikation
  • Ablesungen aus intelligenten Messsystemen über ein Smart-Meter-Gateway

 

Die hierfür genutzten Schnittstellentechniken zur Datenübernahme basieren in der Regel auf Web-Services (SOAP), RFC-Verbindungen oder Datei-Uploads im CSV- oder Excel-Format. Demgegenüber stellt die direkte Übernahme von Zählerdaten und Messwerten aus einem IoT-System eine Herausforderung für ERP-Systeme dar. Dies liegt daran, dass sich das deutlich neuere Internet of Things bei der Kommunikation und dem Umgang mit Daten gänzlich unterschiedlicher Philosophien, Strategien und Technologien bedient, als es das klassische ERP-System macht.

Im Kern ist ein ERP ein in Client-Server-Technologie umgesetztes Transaktions- und Beleg-orientiertes System. Die Daten beschreiben größtenteils Zustände dokumentartiger Objekte, wie Angebote, Bestellungen, Rechnungen, Kostenstellen, Buchungen, Lagerbestände in den unterschiedlichen Bearbeitungsschritten eines Unternehmensprozesses. Das ERP bildet damit die Kernprozesse, die Wertschöpfungsketten und die Finanzströme innerhalb eines Unternehmens ab. Zudem verwaltet es sensible personenbezogene Personal- oder Kundendaten. Entsprechend fürsorglich gehen ERP-Systeme mit diesen Daten um. Der Fokus der Systemarchitektur liegt hier auf der Nachvollziehbarkeit und der Datensicherheit.

In IoT-Systemen tauschen dagegen eine Vielzahl von Geräten untereinander hochfrequente Nachrichten mit Zustandsdaten (Sensor- und Aktordaten) über Publish-/Subscriber-basierte Schnittstellen aus. Diese sind in einigen Anwendungsfällen nicht einmal in einer Datenbank gespeichert, sondern nur unmittelbar über Regelsysteme in Steuersignale umgewandelt worden. Die Systemarchitektur ist im Wesentlichen über ihre Verfügbarkeit und ihren Datendurchsatz definiert.

ERP- und IoT-Systeme sind deshalb jeweils für sich hoch spezialisierte und optimierte Systeme hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Anforderungen bezogen auf Datensicherheit, -wertigkeit, -aufkommen sowie Datenverarbeitung und -speicherung.

 

Die IoT-ERP-Bridge als Vermittler

Für diese unterschiedlichen Konzepte und Architekturen von ERP- und IoT-Systemen bildet die items IoT-ERP-Bridge eine einfache Form der Kopplung, indem es zu jedem System optimierte Schnittstellen anbietet und als Middleware zwischen diesen Systemen fungiert.

Der Brückenkopf der IoT-ERP-Bridge in Richtung der IoT-Plattform orientiert sich am Nachrichten-orientierten Publish-/Subscriber-Modell der IoT-Welt. Dieser Teil der IoT-ERP-Bridge prüft stetig, ob der MQTT-Message-Broker des IoT-Systems aktuelle Nachrichten mit Zählerständen oder Messwerten anbietet und nimmt diese dann unmittelbar entgegen.

In Richtung der ERP-Welt präsentiert sich die IoT-ERP-Bridge als REST- und OData-Webservice-Provider, der bei Bedarf gezielt angesprochen werden kann. Der Web-Service stellt dann gerätebezogen die Zählerstände oder Messwerte für ein vorgegebenes Messintervall zur Verfügung. Dieses Pull-Prinzip aus Sicht des ERP bietet für dieses System einen hochwertigen Schutz, da keine spontanen Aufrufe von außen in das ERP nötig sind. Das ERP adressiert den Service direkt, wenn es Informationen, z. B. ein Ableseergebnis für eine Rechnungsstellung, benötigt. Über die einfache REST-/OData-API der IoT-ERP-Bridge können aber nicht nur speziell SAP-Systeme, sondern auch Systeme anderer Hersteller angebunden werden.

 

 

Abbildung: Anbindung eines ERP-Systems an die digital.hub-IoT-Plattform für LoRaWAN ausgelesene Zähler und Sensoren mittels der IoT-ERP-Bridge

 

Damit die nötigen Informationen aus den Nachrichten des IoT-Systems in der IoT-ERP-Bridge vorliegen, verfügt diese darüber hinaus über eine eigene Datenbank in der die relevanten Zähler- und Messdaten aus dem IoT-System und Zählerstamm- und Konfigurationsdaten aus dem ERP-System zwischengespeichert werden können. Damit ist die IoT-ERP-Bridge als schlanke Cloud-Lösung eine kostengünstige Alternative gegenüber der direkten Integration und Speicherung der IoT-Nachrichten in beispielsweise einer SAP PI/SAP ERP basierten On-Premise-Lösung. Da das ERP für seine Aufgaben nur wenige ausgewählte Zählerstände für die Abrechnung oder Messbelege benötigt, wäre es aus Betriebskosten- und Performanz Gesichtspunkten unverhältnismäßig, diese Systeme als reine Datenablage (Messdatensystem) für die, um eine vielfach größere Menge an anfallenden Mess- und Zählerstanddaten zu nutzen.

Integrations-Service

Damit Kunden der digital.hub-IoT-Plattform LoRaWAN-ausgelesene Zähler und Sensoren auf einfache Weise und kostengünstig zum Einsatz bringen können, bietet die items GmbH für die Integration der Messdaten verschiedene Dienstleistung an:

Für die Backend-Integration bietet die items vorgefertigte Software-Komponenten an, um Zählerstände und Messwerte einfach in das ERP zu übernehmen und die Verknüpfung von SAP PM-Equipments, SAP IS-U-Geräten oder Geräteinfosätzen vorzunehmen. Für die Weiterverarbeitung der Messwerte im SAP ERP werden für die IS-U-Integration Ableseaufträge und Ablesungen, im SAP PM-Messpunkte und Messbelege genutzt.

Die Nutzung der IoT-ERP-Bridge Middleware bietet die items als Dienstleistung an. So können die verschiedene Endnutzer von der gemeinsamen Infrastruktur profitieren, ohne sich um Weiterentwicklung, Betrieb und Wartung der Infrastruktur kümmern zu müssen.

Die Cloud-Infrastruktur bietet dazu die Möglichkeit, hochaufgelöste Messdaten (z. B. 15-Minuten- oder Stundenwerte) auf einfache Weise mit Stamm- und Bewegungsdaten aus verschiedenen weiteren Quellsystemen zu verschneiden. Die hochaufgelösten Messdaten müssen in dem ERP-Abrechnungs- oder Core-System für dieses Szenario nicht vorliegen, sondern können aus der Cloud konsumiert werden. Dadurch sind neben der Zähler- und Messdatenverarbeitung weitere Integrationsszenarien, wie beispielsweise die Bereitstellung der Daten in einem Kundenportal, die Analyse und Prognose von Verbrauchsverhalten in der SAP Analytics Cloud oder die Umsetzung neuer Produkt- und Energiedienstleistungen für Endkunden auf einfache Weise möglich. Die IoT ERP Bridge der items stellt somit den ersten Baustein zur Integration von IoT Anwendungsfällen in die klassischen Prozesse eines EVUs da. Bei Rückfragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.

 

 

Abbildung: Integration der LoRaWAN-Sensor-ID zu einem Equipment und einem Messpunkt im SAP PM. Über den Button „Online-Messdaten abrufen“ können die Messwerte aus IoT-ERP-Bridge angezeigt und konsumiert werden.

Abbildung: Anzeige der Onlinedaten aus der IoT-ERP-Bridge und automatische Erstellung von Messbelegen und PM-Wartungs-Meldungen aus dem Dialog heraus.

 

Hack-a-Tonne: Sensoren überwachen Wasserqualität im Aasee

21.07.2020

Als im Sommer 2018 aufgrund der stetig hohen Temperaturen und des ausbleibenden Niederschlags der Sauerstoffgehalt im Münsteraner Aasee stark sank, starben viele Fische des Aasees. Auch Michael Hermes wurde auf seinem Arbeitsweg Zeuge des großen Fischsterbens und brachte seine Idee, die Gewässer Qualität rund um die Uhr mit Sensorik zu überwachen und die Daten via LoRaWAN zu übermitteln, in den Münsterhack ein. Die Idee „Hack-a-Tonne“ entstand und wurde nun an unterschiedlichen Stellen des Aasees installiert.

Lesen Sie mehr zum Fischsterben, der Hack-a-Tonne und dem Hintergrund Smart City der Stadtentwicklung Münster im Artikel der Westfälischen Nachrichten oder der Pressemitteilung der Stadt Münster

Westfälische Nachrichten

Pressemitteilung Stadt Münster

 

LoRaWAN-Projekte erfolgreich umsetzen

Durch den vermehrten Einsatz der Stadtwerke und durch die Ankündigungen bezüglich des Ausbaus der IoT-Netze gewinnt LoRaWAN immer mehr an Bedeutung. LoRaWAN wird fortan in unterschiedlichsten Bereichen und Anwendungsfällen eingesetzt, wobei die Umsetzungsgeschwindigkeit des Themas stets unterschiedlich ausfällt. Doch welche Methoden sind am besten für die erfolgreiche Umsetzung von LoRaWAN-Projekten?

Essenzieller Schritt für diese Umsetzung ist die exakte Identifizierung des individuellen Use-Cases. So sollen unter anderem der Fokus und die Verantwortlichkeiten mit einem festgelegten Ziel definiert werden.

Mehr erfahren

LoRa Weeks – Digital Sessions

Nach unseren erfolgreichen Digital Sessions im Zuge des digitalisierten items-Forums gibt es ab Anfang Juli nun auch die Möglichkeit, an unseren LoRa-Weeks teilzunehmen. Die LoRa-Weeks bieten wöchentlich die Option, das Thema IoT tiefgründig in Vorträgen zu erfahren.

Sechs Wochen lang werden spannende Themen rund um das Thema LoRa live von der items und unseren Partnern Digimondo und Opwoco vorgestellt – von Vorträgen über erfolgreiches LoRa-Projektmanagement hinzu live Demonstrationen spannender Use Cases. Ab dem 07. Juli um 15 Uhr geht es los!

Zur Anmeldung

Brunnenpegelsonden im Test

Derzeit sind LoRaWAN-Grund-Wasser-Pegelsonden für die Wasser-Wirtschaft in unserem Innovationsteam im Test. Konkret handelt es sich um die Modelle WR-IoT compact mit CT-Sonde von UIT, ADT1-Tube mit Sonde 36XiW von Keller, SlimCom-IoT LR mit dem Dipper-PT von Seber und Hydrolab HL 4 Multiparametersonde von OTT.

Als Zwischenergebnis kann bereits festgehalten werden, dass alle Geräte hochwertig verarbeitet sind und nach Einrichtung in den internen LoRaWAN-Netzwerkserver regelmäßig Datenpakete senden. Die verschiedenen Einsatzmöglichkeiten bzw. die Variabilität der getesteten Sonden unterscheidet sich je nach Hersteller. Neben der Messung des Pegelstands bieten jedoch alle Hersteller die Möglichkeit, die Wassertemperatur sowie die interne Batteriespannung zu übermitteln. Zu bemängeln ist die zu einem gewissen Grad undurchsichtige Bedien- bzw. Kalibrierungssoftware einiger Hersteller, die eine intuitive Nutzung erschwert.

Um die gesammelten Informationen weiter zu verfeinern, wird die interne Testreihe in den nächsten Wochen fortgeführt und um Langzeittests im Feld erweitert.

Haben Sie Fragen? Gerne an iot@itemsnet.de

Let’s go IoT – LoRa Weeks bei items

Das items-Forum hat seit mehr als 10 Jahren Tradition in unserem Unternehmen. So lange kommen bereits regelmäßig alle unsere Kunden zusammen, um über die neusten Trends und Entwicklungen der Branche zu beraten und sich auszutauschen. Auf Grund von Corona war die Durchführung unseres Forums in diesem Jahr leider nicht möglich. Aber wir haben im Mai schnell reagiert und aus unserem items-Forum eine Online-Veranstaltung gemacht und erweitern diese mit den LoRa Weeks.

Unter dem Schlagwort #items Digital Sessions haben wir statt zwei Tagen voller Fachvorträge eine Online-Webinarreihe ins Leben gerufen, die unsere Kunden über die neusten Entwicklungen und technischen Lösungen informiert. Seitdem ist jeden Dienstag von 15 Uhr bis 16 Uhr Zeit für eine #items Digital Session. Ob E-Mobility-Strategie der SW Münster, KI-Lösungen in der Wasserwirtschaft oder Prozessautomatisierung mit Robotics – die Themen sind vielfältig. Die bereits gehaltenen Vorträge sind selbstverständlich auch weiterhin auf unserem YouTube-Channel freigeschaltet und auch die Folgenden werden nach und nach für euch freigeschaltet. Schaut euch gerne unseren Channel einmal an: https://www.youtube.com/channel/UCAZj-mpvC5e_3Q2YR9Szq6Q

Natürlich soll es mit dem Ende der Digital Sessions als Ersatz für das items-Forum nicht Schluss sein. Nach unserem letzten Vortrag am 23. Juni wird es mit den Digital Session am 07. Juli nahtlos weitergehen. In den nächsten Wochen wird es verstärkt um das Thema LoRaWAN und IoT gehen, dann heißt es Zeit für die #items Digital Sessions – LoRa-Weeks und es wird um verschiedenste IoT-Themen gehen. Ob die Umsetzung des Rollouts im Sektor Wärme mit LoRa, eine SAP-Integration oder neue Produktlösungen im Bereich Brunnenpegelstandsmessung, wie auch Erfolgsfaktoren für LoRaWAN-Projekte. Schaut gerne einmal vorbei. Die Anmeldung zu den LoRa Weeks erfolgt über die folgende Seite:

https://www.gotostage.com/channel/items-digital

Also seit dabei ab dem 07. Juli, wir freuen uns auf euch!

Erfolgsfaktoren für LoRa-Projekte

LoRaWAN-Projekte sind in der Energiewirtschaft angekommen

In den letzten zwei Jahren hat sich das Thema IoT und speziell LoRaWAN in immer mehr Stadtwerken durchgesetzt. Meldungen von mehreren großen Versorgern, ihre IoT-Netze in den nächsten Jahren mit mehreren 1.000 Gateways auszustatten, haben dem Thema LoRaWAN einen Schub in der Branche gegeben. Genauso hat die Anzahl der Anwendungsfälle stetig zugenommen. Ob Use-Cases im Bereich der Stadt, in öffentlichen Einrichtungen oder Energienetzen (Strom, Wasser, Gas, Fernwärme) – die Vielfalt ist enorm. Jedoch hat sich in den letzten Monaten gezeigt, dass die Geschwindigkeit, in der Stadtwerke dieses Thema umsetzen, höchst unterschiedlich ist. Da wir als items schon mehrere LoRaWAN-Projekte begleiten durften, möchten wir in diesem Blogbeitrag einmal vorstellen, welche Methoden sich als Best-Practices etabliert haben und welche Schritte für eine erfolgreiche Umsetzung notwendig sind.

Was ist unser Fokus?

Gerade wenn das Thema LoRaWAN und IoT für ein EVU neu ist, stellt sich schnell die Frage nach dem Fokus. Soll die Erprobung der Technologie oder die Pilotierung bestimmter Anwendungsfälle im Fokus stehen oder gar ein kompletter Use-Case direkt im Rollout als Massenprozess umgesetzt werden? Die Festlegung auf den Fokus hilft in der Regel, die Art des LoRaWAN-Projektes zu bestimmen und Verzögerungen im laufenden Projekt zu verhindern, um die eigene Meilensteinplanung im späteren Verlauf halten zu können.

Bauen wir internes Know-how auf?

Ebenfalls wichtig vorab zu klären ist die Frage, ob perspektivisch internes Know-how aufgebaut werden soll und welche Abteilung dies übernehmen wird. In der Praxis scheitert ein LoRaWAN-Projekt oft, wenn kein internes Know-how aufgebaut wird, da zum einen das technische Verständnis bei der Projektumsetzung fehlt, aber auch die Wertschöpfungstiefe beim Stadtwerk perspektivisch zu gering ist. Da gerade der Bereich Netzbetrieb und Sensorik eine Kernkompetenz eines Stadtwerks ist, sollte dieser Bereich zwingend durch ein Stadtwerk übernommen werden. Eine frühe Festlegung, wer innerhalb des EVUs auch nach dem Pilot für das Thema verantwortlich sein soll, hilft das Know-how bereits frühzeitig aufzubauen, da die Mitarbeiter sofort in das Projekt integriert werden können.

Braucht der Use-Case nur eine IoT-Plattform oder auch eine Applikation?

Gerade beim Aufbau von ersten LoRaWAN-Use-Cases werden viele Teilnehmer von dem Irrglauben gelenkt, dass für den späteren Betrieb des Use-Cases die IoT-Plattform und der LoRaWAN- Netzwerkserver ausreichen. Dies ist jedoch nicht der Fall. Die IoT-Plattform (hier Data-Hub genannt) dient primär zur Entschlüsselung, Persistierung, Aufbereitung und Weiterleitung der Daten an das erforderliche Fachsystem. Zwar können in der Regel auch einfache Dashboards erstellt werden, diese eignen sich jedoch nicht für einen Rollout, sondern eher für den Test von Anwendungsfällen. Gerade spätere Nutzer sind es gewohnt, in ihrer jeweiligen Fachanwendung zu arbeiten, weswegen ein Medienbruch durch einen Wechsel auf die IoT-Plattform eher hinderlich wäre und die Nutzerverwaltung auf zwei Plattformen im schlimmsten Fall verkomplizieren würde. Daher ist es viel einfacher, wenn beispielsweise ein Zählerwechsel weiterhin über das SAP-System (Fachapplikation) und nicht über die IoT-Plattform erfolgt. Auch könnte der Aufbau von Applikationen innerhalb der IoT-Plattform bei späteren Migrationen zu einem erhöhten Aufwand führen, weswegen eine Trennung der IoT-Plattform von der Applikation zu empfehlen ist. Die IoT-Plattform ist somit eher als eine Art Middleware zu betrachten, die Daten an die Fachsysteme über verschiedenste Schnittstellen bereitstellt. Für einen späteren Rollout ist somit immer eine Applikation erforderlich. Dabei kann es sich entweder um bestehende Systeme wie beispielsweise eine Integration von GIS- oder SAP-Systemen handeln oder es ist die Entwicklung von neuen Applikationen erforderlich. Ein Beispiel hierfür ist das Tool Grid Insight: Water, das von der items für die Wasserwirtschaft entwickelt wurde. Das Tool verarbeitet IoT-Daten und stellt diese dem Endanwender für eine optimierte Planung der Wassernetze zur Verfügung.

Welches LoRaWAN-Projekt brauchen wir?

Grundsätzlich haben sich in den letzten zwei Jahren drei Arten von Projekten entwickelt, wie ein Stadtwerk ein LoRaWAN-Projekt angeht: Ein Pilot mit dem Fokus Technologietest, ein Pilot mit dem Fokus auf einen Rollout oder einen sofortigen Rollout. Die Projekte unterscheiden sich vor allem in ihrer Herangehensweise und dem Projektziel.

Gerade in den Anfangszeiten haben viele Stadtwerke einen Piloten mit dem Fokus Technologietest durchgeführt, da die Technologie LoRaWAN sehr neu war. Der Fokus lag weniger auf dem wirtschaftlichen Business-Case als auf der Erprobung der Technologie. In diesem Zusammenhang wurden häufig Use-Case-Workshops mit den Stadtwerken zur Identifizierung technisch sinnvoller Anwendungsfälle durchgeführt. In der Praxis kam es oft zu ähnlichen Anwendungsfällen, für die 1-2 Sensoren beschafft und in ein LoRaWAN-Netz eingebunden wurden. Da die Projekte oft mit der Idee beginnen, LoRaWAN in möglichst vielen Bereichen einzusetzen. Dadurch wurden viele interne Projekte begonnen, obwohl die spätere Zielsetzung nicht klar war. Welchen Nutzen hat es, den Sensor auszurollen? Gibt es einen Business-Case? Welche regulatorischen Anforderungen müssen erfüllt werden und welche Applikation ist notwendig? Die Folge ist ein hoher administrativer Aufwand bei einem geringen Projekterfolg. Auch wurde durch den fehlenden Fokus die interne Zeitplanung regelmäßig nicht eingehalten, weswegen mehr Zeit und neues Kapital notwendig waren.

Da die Technologie LoRaWAN bereits in vielen Fällen technologisch erprobt wurde und erste Informationen vorliegen, empfiehlt es sich vielmehr, ein Pilot mit Fokus auf einen Rollout zu starten. In diesem Fall werden parallel zum Aufbau des LoRaWAN-Netzes 1-2 Use-Cases identifiziert, die später in Masse ausgerollt werden. Dabei sollte es sich um Anwendungsfälle handeln, bei denen der Nutzen, die technischen Anforderungen sowie der wirtschaftliche Mehrwert geklärt sind. Da diese Use-Cases spätestens bei einem Rollout über eine eigene Applikation verfügen müssen, da eine IoT-Plattform nicht mehr ausreicht. In diesem Fall ist es sinnvoll, bereits die Applikation mit in den Piloten einzubinden. So kann bereits von Beginn an der Weg vom Sensor über die IoT-Plattform in die Fachapplikation getestet werden, wodurch spätere Anforderungen in einem Rollout direkt geklärt werden können.  Durch die komplette Abbildung des Use-Cases ist die Lernkurve innerhalb eines Stadtwerks deutlich höher, als bei einem Piloten mit dem Fokus Technologietest. Ebenfalls hilft der klare Fokus zur Sicherstellung der eigenen Timeline. Auch werden mögliche Ablenkungen, wie die Umsetzung eines neuen Anwendungsfalls, nicht aufgenommen. Der Fokus liegt klar auf dem zu pilotierenden Rollout. Das Vorgehen eignet sich besonders für Stadtwerke, die entweder noch über wenig LoRa-Know-how verfügen oder den Rollout eines neuen Anwendungsfalls planen.

Rolloutprojekte haben hingegen den Fokus, einen Anwendungsfall direkt produktiv in großer Masse auszurollen. Voraussetzung hierfür ist ein bestehendes LoRa-Know-how im Stadtwerk und eine Anbindung an die Fachapplikation.

LoRaWAN Projekt – Wie lang darf die Dauer eines Piloten sein?

Ein LoRaWAN-Projekt Pilot sollte in der Regel nicht länger als 6 bis 12 Monate betragen. Piloten mit dem Fokus des Technologietests sollten auf maximal 6 Monate begrenzt werden. Verzögerungen im Zusammenhang mit einem LoRaWAN-Projekt treten vor allem bei fehlendem Fokus und einer Nichtklärung der Verantwortlichkeiten innerhalb des EVUs auf. Auch das Thema Standorte und Aufbau von LoRaWAN-Netzen kann zu einem erheblichen Hindernis werden. Da Standorte für LoRaWAN-Gateways über eine beträchtliche Höhe verfügen sollten (je nach Geographie mindestens 15m) sind einige EVUs auf Standorte von Dritten angewiesen. Der Verhandlungsprozess kann oft mehrere Monate dauern, weswegen es zu erheblichen Projektverzögerungen kommt. Zusätzliche Fragen wie Blitzschutz und die Notwendigkeit eines separaten Zählers für das Gateway können den Aufbau weiter erschweren. Wenn bereits vorher klar ist, dass die Standortsuche schwierig werden könnte, empfiehlt es sich, das LoRa-Netz bereits frühzeitig aufzubauen, parallel zur Use-Case-Identifizierung und der Festlegung der verantwortlichen Abteilung.

Was sind die wesentlichen Faktoren für ein Use-Case?

Jeder Use-Case in einem LoRaWAN-Projekt steht im Prinzip vor drei zentralen Herausforderungen. Zum einen ist die für die Erhebung von IoT-Messdaten geeignete Sensorik erforderlich. Diese muss in einer für den Use-Case benötigten Genauigkeit messen und sich zudem in dem geforderten Kostenrahmen bewegen. Gerade bei Use-Cases, die über einen geringen finanziellen Spielraum verfügen, kann dies zu einer Verhinderung eines Anwendungsfalls führen. Denn grundsätzlich gilt die Faustregel, dass die Errichtung eines LoRaWAN-Netzes relativ kostengünstig ist, Messtechnik aber weiterhin erforderlich ist und bezahlt werden muss. So kann es sein, dass spezielle Sensorik für einzelne Use-Cases das Budget deutlich überschreiten kann. Dabei ist es unabhängig von der Frage, ob der Sensor die Daten über LoRaWAN oder eine alternative Funktechnik überträgt.

Ist eine entsprechende Sensorik vorhanden, kann die Umsetzung eines Anwendungsfalls ggf. an regulatorischen Hemmnissen scheitern. Beispielsweise kann bereits heute ein Stromzähler mittels LoRaWAN ausgelesen werden, allerdings ist dies nach dem Messstellenbetriebsgesetz verboten, da LoRaWAN nicht über die notwendige gesetzlich geforderte Bandbreite verfügt, um die Daten über das WAN zu übermitteln. In bestimmten Bereichen kann ein Use-Case auch durch den Gesetzgeber initiiert werden, wenn dieser z. B. wie in der Fernwärme die Fernauslesbarkeit von Fernwärmenetzen fordert.

Stehen dem Anwendungsfall keine regulatorischen Hemmnisse im Weg, ist die Wirtschaftlichkeit des Anwendungsfalls zu prüfen. Grundsätzlich sollten die Use-Cases priorisiert werden, die einen Mehrwert für das EVU erzeugen oder wenigstens eine regulatorische Herausforderung lösen. Gerade Use-Cases, die eher einen Fokus auf einen Spiel- und Bastelbetrieb haben, sollten nicht vorangetrieben werden. In der Praxis haben sich oft die Use-Cases als wirtschaftlich erwiesen, die sich im Bereich der Energienetze (Strom, Gas, Wasser, Fernwärme) befinden. Aber auch Anwendungsfälle, die gezielt für eine Kommune zugeschnitten sind, wie z. B. das Monitoren von Schulen, wobei die Daten den Nutzern des Gebäudes aber auch dem EVU zum Verbessern des eigenen Contractings der Heizungsanlage verwendet werden.

LoRaWAN Projekt – Was ist das Fazit?

Grundsätzlich sollten vor dem Beginn eines LoRaWAN-Projekts der Fokus und die Verantwortlichkeiten definiert werden. Das festgelegte Ziel hilft bei der Umsetzung und Auswahl der richtigen Projektvorgehensweise. Sollten noch keine Use-Cases klar sein, hilft erst die Identifizierung der Use-Cases, bevor mit dem eigentlichen Projekt begonnen wird. Ein Pilot sollte in der Regel nicht länger als 6 bis 12 Monate dauern, wobei vor allem der Aufbau des LoRa-Netzes zu Projektverzögerungen führen kann. Generell ist als Projekt ein Pilot mit Fokus auf einen Rollout zu empfehlen, bei dem auch eine geeignete Applikation für einen späteren Rollout bereits im Piloten vorhanden ist. Die Einbindung der späteren Verantwortlichen sollte so früh wie möglich erfolgen, um die Mitarbeiter schnell zu befähigen, selbstständig zu arbeiten.

Verpflichtender Rollout im Sektor Wärme ab 2020 – items-Komplettlösung für die Fernwärme

Verpflichtender Smartmeter Rollout für Zähler im Bereich Wärme kommt

Seit dem Jahr 2016 ist es für den Sektor Strom längst bekannt, dass nach dem Messstellenbetriebsgesetz (MsbG) in den kommenden Jahren für alle Letztverbraucher ab einem Verbrauch von mehr als 6.000 kWh ein verpflichtender Einbau von intelligenten Messsystemen (iMsys) kommt, welche die Verbrauchswerte über ein Kommunikationsnetz direkt an den Messstellenbetreiber übermitteln. Eine ähnliche Verpflichtung ist nun mit dem Smartmeter Rollout im Bereich Wärme angestoßen worden. Im Rahmen des EU-Winterpakets, welches letztes Jahr beschlossen wurde und als eines der nächsten großen Liberalisierungspakete betrachtet werden kann, steht nun der nächste Smartmeter Rollout im Sektor Wärme an.

Im Rahmen der neuen Energieeffizienzrichtlinie sieht die EU einen Rollout für alle Heizkostenverteiler, Wärmemengen-, Kältemengen- und Trinkwarmwasserzähler vor, welche in den nächsten Jahren fernauslesbar sein müssen. Somit wird es für EVUs nicht nur einen Rollout im Sektor Strom, sondern auch im Sektor Wärme geben.

 

Der Smartmeter Rollout im Detail

Der Smartmeter Rollout im Bereich Wärme soll im Jahr 2020 beginnen. Ab dem 25. Oktober dieses Jahres dürfen nur noch Heizkostenverteiler, Wärmemengen-, Kältemengen- und Trinkwarmwasserzähler verbaut werden, welche fernauslesbar sind. Bis zum Jahr 2027 müssen sämtliche Heizkostenverteiler und Zähler umgerüstet sein. Unter einer Fernauslesung wird entweder eine Übertragung der Messwerte über ein Funknetz verstanden (Bsp. GSM, LoRaWAN etc.) oder eine Walk-by-Auslesung, bei der ein Betreten der Wohnung nicht mehr notwendig ist, sich aber eine Person im Rahmen der Ablesung in der unmittelbaren Nähe des Zählers befinden muss. Betroffen sind alle Liegenschaften, welche über eine zentrale Wärmeversorgung oder einen Fernwärmeanschluss verfügen. Eine Fernauslesung kann nur dann verweigert werden, wenn eine Implementierung aus technischen Gründen nicht möglich ist oder in keinem wirtschaftlichen Verhältnis zum Aufwand steht und keine Kosteneffizienz gegeben ist.

 

Smartmeter Rollout Fernwärme - Fernauslesung von Zählern

 

Verpflichtung zur monatlichen Abrechnung

Mit der Neuregelung der Energieeffizienzrichtlinie verfolgt die EU das Ziel, den Kunden für seinen Verbrauch zu sensibilisieren. Damit dies gelingt, soll der Verbraucher seine Abrechnung mehrmals pro Jahr erhalten, um einen Überblick über seinen Verbrauch zu erhalten. Als ersten Schritt sieht die Richtlinie einen Anspruch auf die Bereitstellung einer elektronischen Rechnung vor, sofern der Kunde dies verlangt. Eine Abrechnung hat grundsätzlich ab dem 25. Oktober 2020 zwei Mal pro Jahr zu erfolgen. Erhält der Kunde eine elektronische Rechnung, hat eine Abrechnung pro Quartal zu erfolgen. Ab dem 01. Januar 2022 muss eine monatliche Bereitstellung der Abrechnungs- und Verbrauchsinformationen erfolgen. Auf Anfrage des Kunden sind außerdem die Lastgänge kostenlos zur Verfügung zu stellen, wenn der Kunde diese z. B. für seinen eigenen Energiedienstleister benötigt. Die Energieabrechnung muss den Transparenzvorschriften der EU-Energieeffizienzrichtlinie entsprechend nach den Vorgaben des Anhangs VIIA erstellt werden. Demnach sind die Mess- und keine Schätzwerte für die Abrechnung zu verwenden.

 

Aufbau der Abrechnung

Im Rahmen der Rechnungsstellung sind nach Anhang VIIA die geltenden Preise, der tatsächliche Energieverbrauch bzw. der Ablesewert der Heizkostenverteiler anzugeben. Zu nennen sind ebenfalls der Brennstoffmix und die damit verbundene Menge an Treibhausgasemissionen, eine Erläuterung der erhobenen Steuern, Abgaben und der Zolltarif. Die einzelnen Mitgliedsstaaten haben jedoch die Möglichkeit, die Auflistung der Treibhausgasemissionen auf Kunden mit einer thermischen Leistung von mehr als 20 MW zu beschränken.

Zur Sensibilisierung des Verbrauchers ist der Vorjahresverbrauch, vorzugsweise in einer grafischen Aufbereitung, anzugeben. Dabei sind die Werte von klimabezogenen Faktoren zu bereinigen, um eine Vergleichbarkeit herzustellen. Zusätzlich ist der Kunde mit einem ermittelten Durchschnittsnutzer seiner Kundengruppe zu vergleichen. Daneben sind die Kontaktdaten des Unternehmens zu nennen sowie ein Verweis auf Energieagenturen, welche konkrete Informationen über Maßnahmen zur Energieeffizienz bereitstellen. Ebenfalls eine Kontaktstelle für Beschwerden ist zu nennen.

 

Smartmeter Rollout – items-Komplettlösung für die Fernwärme

Zur Umsetzung der EU-Richtlinie hat die items GmbH bezüglich des Smartmeter Rollouts eine Komplettlösung entwickelt, welche die Anforderungen komplett umsetzt. Herzstück der Lösung bildet ein IoT-Funknetz, welches die Fernauslesbarkeit von Zählern sicherstellt sowie eine Integration in das Abrechnungssystem, um die elektronische Rechnung zu erzeugen.

Als IoT-Funknetz wird im ersten Schritt ein LoRaWAN-Netz aufgebaut, mit dem eine Fernauslesung zu erfolgen hat. LoRaWAN-Netze zeichnen sich vor allem durch ihre gute Gebäudedurchdringung sowie Reichweite aus, weswegen sie sich perfekt für die Auslesung von Zählern eignen. LoRaWAN-fähige Sensorik ist bereits heute verfügbar und kann standartmäßig von vielen bekannten Herstellern bezogen werden. Voraussetzung ist der Aufbau von mehreren LoRaWAN-Gateways sowie einem LoRaWAN-Netzwerkserver. Die Daten werden an einen IoT-Datahub bereitgestellt, welcher die Daten entschlüsselt, aufbereitet, persistiert und verwaltet. Der IoT-Datahub ist auch in der Lage, über verschiedene Schnittstellen die Daten zu verarbeiten, die über eine Walk-by-Ablesung erhoben wurden. So können beide Technologien genutzt werden, wenn die Auslesung einer Liegenschaft aus Kostengründen einmal nicht über LoRaWAN erfolgen sollte.

 

Smartmeter Rollout Fernwärme - Beispiel zur Wärmemengenmessung

 

Der IoT-Datahub gibt die Daten über eine MQTT-Schnittstelle an eine IoT-ERP-Bridge weiter, welche die Messwerte mit dem Zählpunkt verknüpft und die Daten für das Abrechnungssystem vorbereitet. Nach der Aufbereitung der Daten erfolgt eine Integration in das jeweilige Abrechnungssystem. In der dargestellten Abbildung handelt es sich um eine Integration in das SAP IS-U. Allerdings ist auch eine Integration von anderen Abrechnungssystemen problemlos möglich. Ist die elektronische Abrechnung im SAP-System erstellt, kann die Bereitstellung der elektronischen Abrechnung auf zwei Wegen erfolgen. Verfügt das EVU bereits über ein Kundenportal, so können die Informationen in das Portal übertragen werden. Falls keine Portallösung zur Verfügung steht, kann ein automatisches Mailling aus dem SAP IS-U heraus erfolgen, sofern die E-Mailadresse hinterlegt wurde. Der Aufbau eines eigenen Portals kann so vermieden werden.

 

Die Lösungsbausteine der items in der Übersicht

Der Aufbau der Fernwärme Smartmetering Lösung setzt sich aus Sicht der items aus vier Lösungsbausteinen zusammen. Einmal aus dem Bereich Metering, bei dem es primär um die Auswahl und den Einbau geeigneter Hardware geht. Der Einbau der Hardware erfolgt grundsätzlich durch das EVU, allerdings kann die items bei der Auswahl geeigneter Sensorik bzw. dem Auslesen von bereits verbauter Sensorik unterstützen.

Der zweite Baustein, die Ablesung, beinhaltet den Aufbau des LoRaWAN-Netzes. Dieses beinhaltet die Bereitstellung eines LoRaWAN-Netzwerkservers, einer IoT-Datahub-Plattform zur Verarbeitung der Informationen sowie die Bereitstellung und Konfiguration der LoRaWAN-Gateways. Die Montage der Gateways kann wahlweise durch das EVU selbst oder einen Dienstleister der items erfolgen. Durch den Aufbau des LoRaWAN-Netzes wird die Voraussetzung geschaffen, die gesetzliche Anforderung der Fernauslesbarkeit sicherzustellen. Gleichzeitig kann das Netz auch für weitere Anwendungsfälle, wie z. B. zur Überwachung des Fernwärmenetzes verwendet werden.

Der Dritte Baustein Abrechnung beinhaltet die Bereitstellung der IoT-ERP-Bridge inkl. Integration des Abrechnungssystems, das zur Rechnungserstellung notwendig ist. Die eigentliche Bereitstellung der elektronischen Rechnungen erfolgt im Baustein Kundeninteraktion entweder über die Anbindung eines bestehenden Kundenportals oder mit einer automatisierten Mail aus dem Abrechnungssystem.

Smartmeter Rollout Fernwärme - Leistungsbausteine der items