Einsatz der LoRaWAN-Technologie bei Gas- und Wasserversorgung

Was ist intelligente Verbrauchserfassung?

Bis zum Ende des 20. Jahrhunderts und mancherorts auch darüber hinaus wurden zur Messung des Verbrauchs von Gas, Wasser, Wärme und Strom nur Geräte mit mechanischen Antrieben eingesetzt. Verbraucher haben ihre eigenen Ablesungen notiert und dem Versorger mitgeteilt. Aber bei dieser Art der Verbrauchserfassung erfolgt die Abrechnung immer mit Verzögerung, außerdem sind die Messwerte aufgrund menschlicher Fehler oft ungenau. Es gibt auch andere Probleme:

• Verbraucher können verschiedene Tricks nutzen, um weniger zu bezahlen
• Ablesedienste müssen sich auf Verbraucher verlassen, damit ihnen der Zugang auf Zähler gewährt wird
• Versorgungsunternehmen erleiden finanzielle Verluste, wenn Unfälle und Leckagen zu spät entdeckt werden

Mit dem technologischen Fortschritt hat sich die Situation geändert: In den 1990er Jahren wurden digitale Zähler entwickelt und es gab zum ersten Mal die Möglichkeit, Messwerte automatisch zu erfassen und über Informationsnetzwerke zu übermitteln. Messgeräte wurden genauer, anspruchsvoller und funktionsreicher. Inzwischen gibt es die intelligenten IoT-Geräte, die sich sogar aus der Ferne steuern lassen. All diese Innovationen haben völlig neue Möglichkeiten eröffnet: Smart Meters erfassen und übertragen automatisch die Zählerstände, zudem melden sie Unfälle und andere Ereignisse. All das erlaubt eine umfassende Automatisierung vieler Prozesse. Die Vorteile moderner Technologien sind also klar – sie bringen mehr Komfort, Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit mit sich.

Intelligente Verbrauchserfassung wird in vielen Teilen der Welt aktiv umgesetzt. Innerhalb der EU wurden auf diesem Feld viele Fortschritte erreicht, aber auch in China, Japan, USA, Kanada, Mexiko, Brasilien, Indien und vielen anderen Ländern. So haben laut dem Market Monitoring Report für September 2023, der von der Agentur für die Zusammenarbeit der Energieregulierungsbehörden erstellt wurde, insgesamt 13 Länder Europas einen wichtigen Meilenstein erreicht: Dort kommen inzwischen bei mehr als 80 Prozent der Haushalte intelligente Zähler zum Einsatz. Die nachfolgende Tabelle zeigt den Grad der Integration von Smart Meters sowie eine Übersicht der Möglichkeiten, die Versorger in diesen Ländern haben:

Smart Grid: Intelligentes Versorgungssystem

Als Smart Grid werden zusammenfassend Geräte, Programme, Technologien und Lösungen bezeichnet, die es den Versorgern ermöglichen, eine moderne digitale Infrastruktur, automatische Datenerfassung und effiziente Abrechnung für ihre Kunden zu bieten. IT-Lösungen werden in Smart Grids weit verbreitet eingesetzt. Ohne solche Systeme wäre es unmöglich, das Konzept der modernen Smart Cities umzusetzen.

Smart Grids umfassen in der Regel die folgenden Komponenten:

• Endgeräte (intelligente Zähler oder Funkmodule)
• Gateways bzw. Basisstationen
• Datennetzwerk
• Software des Betreibers
• Intelligente IoT-Sensoren

Endgeräte verfügen über digitale Schnittstellen und zeichnen die Zählerstände auf. Die Daten werden im internen Speicher aufbewahrt und in festgelegten Intervallen an die Gateways übertragen. So ein Endgerät kann sowohl ein digitaler Zähler mit einem integrierten Funkadapter als auch ein externes Funkmodul sein. Es gibt zum Beispiel spezielle Funkmodule für Wasserzähler und Funkmodule für Gaszähler.

Gateways oder Basisstationen empfangen Daten von mehreren Endgeräten und leiten diese über das Internet an den Server weiter.

Datennetzwerk dient der Übertragung von Informationen über geeignete Protokolle an den Server, was sowohl über Kabel als auch drahtlos erfolgen kann. Eines der gängigsten Kommunikationsprotokolle für die Übertragung von Messdaten ist das Low-Power Wide-Area Network (LPWAN).

Software ermöglicht es den Versorgern, Zählerstände in einem geeigneten Format zu empfangen, zu speichern und für die Abrechnung zu verarbeiten.

Intelligente Sensoren werden dafür installiert, um Messungen zu automatisieren, Umgebungsbedingungen zu überwachen und automatisch Warnungen über verschiedene Ereignisse zu senden. IoT-Sensoren können Folgendes erfassen:

• Informationen über Leckagen
• Luftfeuchtigkeit und Temperatur
• Füllstand eines Containers
• Verschiedene auslösende Ereignisse
• Aktuellen Standort
• Messwerte und ihre Parameter

Eine der wichtigsten Funktionen dieser Geräte ist, dass sie über Unfälle oder andere außergewöhnliche Situationen warnen können.

Als Nächstes werden wir uns mit der zweiten Komponente der intelligenten Verbrauchserfassung befassen, nämlich der Datenübertragung über das LoRaWAN-Funknetz.

IoT-fähige LoRaWAN-Netzwerke für die Versorgungswirtschaft

LoRaWAN ist ein Netzwerkprotokoll, mit dessen Hilfe kleine Datenpakete übertragen werden, was minimal Energie verbraucht. Die Energieversorgung kann daher autark sein – sprich, man kann Batterien verwenden, die über mehrere Jahre hinweg nicht ausgetauscht werden müssen. In der Vergangenheit war es nicht möglich.

Dieses Protokoll basiert auf der LoRa-Technologie – einer Methode der Signalmodulation, bei der Frequenzbereiche, für die keine Genehmigung erforderlich ist, für die Datenübertragung verwendet werden. Gleichzeitig haben die Signale eine hohe Durchdringungskraft. Dadurch ist es möglich, IoT-Geräte in dicht bebauten Gebieten aufzustellen und sogar Daten in Kellerräumen zu empfangen.

Die LoRa-Technologie und das LoRaWAN-Protokoll bieten die Möglichkeit einer drahtlosen bidirektionalen Kommunikation. Alle übertragenen Daten werden dabei verschlüsselt, um sie zu schützen. Endgeräte übertragen die Messwerte über den Funkkanal an die Gateways, dann gehen sie über das Internet an den Server, wo sie als Grundlage für die Abrechnung dienen können.

Somit ermöglicht LoRaWAN den Aufbau eines Netzwerks mit folgenden Eigenschaften:

• Hohe Durchdringungskraft durch Hindernisse
• Autonomer Betrieb
• Bidirektionale Funkverbindungen
• Hohe Signalreichweite
• Datenverschlüsselung
• Einfache und kostengünstige Netzwerkskalierung

All diese Eigenschaften helfen dabei, fortschrittliche Versorgungsnetzwerke aufzubauen, in denen intelligente Gas- und Wasserzähler zum Einsatz kommen.

Wie LoRaWAN-Netzwerke bei der Verbrauchserfassung helfen

Die LoRa-Technologie ermöglicht es, Smart Grids für effiziente Erfassung von Gas- und Wasserverbrauch schnell, einfach und mit minimalen Investitionen zu integrieren. 

Geringe Betriebskosten. LoRaWAN-Netzwerke haben gegenüber dem Internet einen Vorteil: Sie können zu relativ geringen Kosten an beliebigen Orten bereitgestellt werden. Dazu muss man lediglich die erforderliche Anzahl von Basisstationen (Gateways) kaufen und installieren. Um diese Aufgabe auf herkömmliche Weise zu erfüllen, müssten Kabel verlegt, Server und Telekommunikationsausrüstung installiert werden. In diesem Fall würde die Fernauslesung von Gas- und Wasserzählern viel mehr Geld kosten.

Durchdringung von Hindernissen. Sowohl Wohnungszähler als auch Hauszähler können praktisch überall platziert werden, vom Keller bis hin zum Dachboden, selbst in großen Bürogebäuden. In der Regel müssen Signale viele physische Hindernisse (d.h. Wände und Decken) durchdringen und werden von Funkstörungen beeinflusst. Die hohe Durchdringungskraft der LoRaWAN-Frequenzen erlaubt es, den Einfluss dieser Faktoren auf die Signalübertragung zu minimieren. Daher können LoRaWAN-basierte Netzwerke in großen Städten und dicht bebauten Gebieten eingesetzt werden.

Bidirektionale Verbindung. Einige Messgeräte sind mit zusätzlichen Funktionen für die Interaktion aus der Ferne ausgestattet, zum Beispiel die Konfiguration der Intervalle der Datenübertragung. In solchen Situationen muss das intelligente Gerät in der Lage sein, nicht nur ein Signal zu senden, sondern auch zu empfangen. Die bidirektionale Kommunikation des LoRaWAN-Protokolls macht das möglich.

Energieeffizienz. Intelligente Geräte, die das LoRaWAN-Protokoll verwenden, übertragen Daten nicht ständig. Stattdessen machen sie es in bestimmten Zeitintervallen gemäß den festgelegten Parametern. Darüber hinaus werden Daten im LoRaWAN-Netzwerk mit geringer Geschwindigkeit übertragen, was dazu beiträgt, die Batterieleistung zu sparen. Drahtlose Smart Meters, wie beispielsweise die Jooby-Funkmodule für Gaszähler und Wasserzähler, können somit autonom mehrere Jahre lang betrieben werden. Je nach der eingestellten Häufigkeit der Datenübertragung kann die Batterie bis zu 15 Jahre halten.

Reichweite. Das LoRaWAN-Funknetz ermöglicht die Datenübertragung ab der Basisstation in einer Entfernung von 15 km in offenen Gebieten bzw. 5 km in städtischen Gebieten. Die Kapazität des Netzwerks lässt sich erhöhen, wenn weitere Gateways hinzugefügt werden, ähnlich dem Prinzip eines Mobilfunknetzes.

Zuverlässigkeit. Die Lösung garantiert eine sichere Datenübertragung, wobei alle Informationen verschlüsselt werden.

Vorteile der automatischen Ablesung von Gas- und Wasserzählern

Durch die Implementierung intelligenter Messsysteme für die Verbrauchserfassung von Wasser und Gas sind Versorgungsunternehmen in der Lage, ihre Kunden in ein praktisches Abrechnungssystem einzubinden und dabei folgende Vorteilen zu genießen:

• Rechtzeitige und genaue Ablesewerte
• Einfache und bequeme Analyse
• Benachrichtigungen über Unfälle, Manipulationen mit Messgeräten und möglichen Diebstahl
• Reduzierung von Ausgaben, da keine manuelle Ablesungen erforderlich sind
• Effizientere Abrechnung

Es sind nicht nur Versorgungsunternehmen, die von der digitalen Zählerfernauslesung profitieren können, sondern auch Wohnungseigentümergemeinschaften, Verwaltungsgesellschaften, Bauträger, Internetdienstanbieter und sogar die Kommunalverwaltung. Auf dem Markt gibt es bereits eine Reihe von Jooby-Produkten, mit deren Hilfe unser Team Lösungen für die Fernablesung in mehreren großen Wohnkomplexen sowie für die Abrechnung aller Kunden des Versorgungsunternehmens Poltava Haz entwickelt hat.

Die Verwendung von Smart Meters bei der Verbrauchserfassung ermöglicht es den Versorgern, die Modernisierung der Infrastruktur durchzuführen sowie genaue, rechtzeitige und bequeme Messwerte zu erhalten. Auf diese Weise lässt sich eine effiziente Datenverwaltung umsetzen und der Energieverbrauch bei der Wasser- und Gasversorgung reduzieren. Der Einsatz der LoRaWAN-Technologie eliminiert die Notwendigkeit von großen Investitionen bei der Skalierung von Versorgungsnetzen, da dieses Protokoll wesentlich kostengünstiger als die Verwendung des Internets ist.