Informationstechnische Sektorenkopplung

Flexibilisierung des Energieverbrauchs

Die effektive Umsetzung der All Electric Society erfordert nicht nur einen umfassenden und schnellen Ausbau der regenerativen elektrischen Energieerzeugung sowie die Elektrifizierung, Vernetzung und Automatisierung aller Sektoren unserer Wirtschaft und Gesellschaft, sondern auch eine effiziente und koordinierte Bereitstellung und Nutzung dieser Energie. Ein entscheidender Faktor liegt dabei in der Schaffung eines vollständig integrierten, vernetzten und intelligenten Energiesystems, das alle energieverbrauchenden, energieerzeugenden und energiespeichernden Bereiche umfasst.

Die stark steigende Elektrifizierung wird zunehmend Energieverbraucher im Netz aufnehmen (z. B. E-Mobilität, Wärmepumpe), die aufgrund ihrer höheren Leistungen und längerer Zuschaltung nicht nur zu einem höheren elektrischen Energieverbrauch beitragen, sondern auch bezüglich ihrer vermutenden Gleichzeitigkeit im Verbrauch eine lokale Belastung der Stromnetze darstellen können. Diese zusätzlichen Energieverbraucher in Verbindung mit der volatilen Energieerzeugung erfordern daher teilweise eine Umstellung der bisherigen Verbrauchsgewohnheiten.

Geräte, die praktikabel und möglichst automatisiert ihren Energiebezug zeitlich verschieben können, werden diese Flexibilität zum Ausgleich der Volatilität der erneuerbaren Energieerzeugung sowie zur Vermeidung der lokalen Überlastung der Verteilnetze bereitstellen. Auch lokale Energieerzeugung (PV), Elektrolyseure (Wasserstofferzeugung) sowie Energiespeicher (stationäre Energiespeicher und E-Mobilität) ergänzen die Möglichkeiten zur Flexibilisierung des Energieverbrauchs.

Durch dieses System kann erzeugte Energie dynamisch an den Stellen eingesetzt werden, wo sie gerade benötigt wird, und bei Nichtbedarf auf vielfältige Weise zwischengespeichert werden, um später bedarfsgerecht genutzt zu werden. Dies führt zu erheblichen Effizienzsteigerungen und Energieeinsparungen. Steuerbare Verbraucher, wie beispielsweise Ladestationen für Elektrofahrzeuge, tragen zur Ausbalancierung der Netze und zur effizienten Nutzung volatiler regenerativer Energie bei.

Durch die Glättung von Erzeugungs- und Lastspitzen wird die Stabilität und Verfügbarkeit der Energieversorgung ohne Überkapazitäten ermöglicht. Natürlich ist eine physische Vernetzung der Energieflüsse bei der Sektorenkopplung unerlässlich, aber auch eine informationstechnische Integration aller Bereiche notwendig.

Sektorenkopplung und optimiertes Energiemanagement

Diese Flexibilitäten werden gebraucht für eine weitergehende, energetischen Optimierung. Ausgehend von lokalen Optimierungsmöglichkeiten durch ein Energiemanagement in Haus, Gebäuden oder an Industriestandorten wird hierbei zunehmend eine intelligente Kopplung angestrebt von verschiedenen Energieformen (z. B. Elektrizität, Wasserstoff und Derivate, Wärme/Kälte) und den unterschiedlichen, bisher eher getrennt betrachteten Sektoren, die Energie bereitstellen, speichern oder verbrauchen (z. B. Energie, Mobilität, Gebäude, Industrie). Daher ist die Digitalisierung der Energieflüsse durch eine informationstechnische Sektorenkopplung eine wesentliche Voraussetzung. Intelligente und vernetzte Energiesysteme benötigen Schnittstellen mit gemeinsamer Semantik, Datenformaten und Architekturen.

DKE Commitment 2030:

„Über Sektoren- und Domänengrenzen hinweg muss das Ziel verfolgt werden, die Harmonisierung der Einzellösungen so zu schaffen, dass sie zu einem integrierten Gesamtsystem der vollständigen energie- und datentechnischen Sektorenkopplung führen. Entscheidend wird es sein, die Sektoren als Gesamtsystem zu betrachten und eine gemeinsame Sprache für den Austausch von Energie und Daten zwischen den Sektoren zu unterstützen. Und das weltweit.“

Hierzu wurden und werden die technologischen Grundlagen für eine generische Standardisierung des Datenaustauschs zwischen technischen Systemen durch Cloud-basierte Datenräume gelegt.

Die sektorübergreifende Vernetzung von Millionen von Objekten und technischen Systemen erfordert Daten- und Informationsmodelle, Semantiken und Mechanismen, die eine automatisierte und autonome Kommunikation zwischen den technischen Systemen ermöglichen. Eine Lösung dafür ist der sogenannte „Digitale Zwilling“, der die virtuelle, datenbasierte Abbildung physischer Objekte oder Prozesse darstellt.

Im Rahmen der Arbeiten der Plattform Industrie 4.0 wurde das strukturierte Metamodell eines solchen Digitalen Zwillings, die sogenannte „Asset Administration Shell (AAS)“, entwickelt. Diese AAS kann als Architekturrahmen für die „vernetzte Welt“ dienen, da sie flexibel genug ist, um auf nahezu alle Anwendungsbereiche übertragen zu werden. Sie verwendet valide Standards und einen Mechanismus, der die verwendete Semantik eindeutig, maschinenlesbar und international erkennbar macht.

Die „Asset Administration Shell“ definiert nicht nur die Struktur und Semantik der Daten, sondern auch Kommunikationsprotokolle wie OPC UA oder REST sowie Authentifizierungs- und Autorisierungsmechanismen für den Datenaustausch. Auch das Thema Cyberssecurity wird umfassend berücksichtigt. Die AAS und ihre Interaktionsfähigkeit werden derzeit im Rahmen der IEC/TC 65/WG 24 als IEC 63278 international genormt.

Der Digital Product Passport 4.0 basiert auf dem oben genannten Datenmodell. Im Rahmen der EU-Ökodesignverordnung strebt die Europäische Union die Schaffung eines einheitlichen „Digital Product Passports“ an, um Produktdaten, die für die Kreislaufwirtschaft relevant sind, zugänglich und austauschbar zu machen. Pilotprojekte des ZVEI wie das „Digitales Typenschild“ zur eindeutigen Identifikation von Produkten mittels genormtem QR-Code und „Product Carbon Footprint“ zur Zuweisung und Aggregation des CO₂-Fußabdrucks einzelner Komponenten und Produkte eines Schaltschrankes gezeigt, dass ein solcher digitaler Produktpass mithilfe der AAS und ihrer Infrastruktur umsetzbar ist.

Das generische AAS-Metamodell kann weitere Gruppen von Produktinformationen, von Umweltdaten über technische Eigenschaften bis hin zu CAD-Modellen, von statischen Typ-Informationen bis hin zu dynamischen Prozessdaten, einschließlich gesicherter Zugriffsrechte auf diese Daten, abbilden und auch in anderen Sektoren außerhalb der Industrie Anwendung finden kann. Es ist auch möglich, andere sektorspezifische Datenmodelle zu integrieren, sodass sie innerhalb eines Anwendungsbereichs weiterhin verwendet werden können und gleichzeitig ein sektorübergreifender Austausch bestimmter Informationen aus diesen Modellen ermöglicht wird. Somit könnte die AAS als Integrationsplattform bestehende Aktivitäten und Initiativen zusammenführen.

Datenräume werden Vertrauensräume

Im Hinblick auf den sektorübergreifenden Austausch strukturierter und semantisch klassifizierter Daten bietet die europäische Initiative GAIA-X eine geeignete Plattform, die vor allem die souveräne Nutzung von Daten ermöglicht.

Um den Austausch von Daten und die Interaktion zwischen Marktteilnehmern, Nutzern und Verbrauchern im Rahmen neuer Geschäftsmodelle zu ermöglichen und zu fördern, ist der Aufbau von datentechnischen virtuellen „Vertrauensräumen“ erforderlich, in denen diese Prozesse gemäß definierten Regeln und Vereinbarungen stattfinden. Nutzer benötigen Sicherheit und die Gewährleistung ihrer individuellen Datenhoheit, um an solchen Datenplattformen teilzunehmen. Die Daten-Governance, die die geschäftlichen, rechtlichen und technischen Grundlagen der Datenökosysteme beschreibt, wird derzeit im Rahmen der Definition und Ausgestaltung von anwendungsspezifischen „Datenräumen“ entwickelt. Ein Beispiel dafür ist das Datenökosystem Catena-X für die Automobilindustrie.

Um jedoch einen datenraumübergreifenden Austausch von Informationen zu ermöglichen, ist es wichtig, dass dieser im Sinne eines modularen Schichtenmodells auf den grundlegenden einheitlichen Definitionen basiert, zum Beispiel in Bezug auf Datenmodelle, Kommunikationsstrukturen, Sicherheitsmaßnahmen, Austauschmechanismen im Cloud-Umfeld usw.

Das Projekt „Manufacturing X“, das von der Plattform Industrie 4.0 und dem Bundesministerium für Wirtschaft und Klima (BMWK) initiiert wurde und einen gemeinsamen Datenraum für die produzierende Industrie schaffen möchte, wird auf den Definitionen und Standards der AAS als gemeinsames Datenmodell aufsetzen und könnte somit einen wesentlichen Grundstein für die informationstechnische Sektorenkopplung legen.

Bedeutung von Normung

Um eine erfolgreiche informationstechnische Sektorenkopplung zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Datenstrukturen und die damit verbundene Kommunikations- und Sicherheitsinfrastruktur sektorübergreifend koordiniert genutzt werden. Für eine weltweite, sektorübergreifende und semantisch konforme Interoperabilität als architektonischen Rahmen für die hier geforderte informationstechnische Sektorenkopplung im Rahmen der Vision einer All Electric Society sind Normen und Standards unerlässlich.

Konsensual erarbeiteten Normen können den architektonischen Rahmen definieren und wesentlich zur Umsetzung beitragen und dennoch die notwendige Individualisierung, Differenzierung im Wettbewerb der innovativsten Lösungen und Geschäftsmodelle unterstützen und ermöglichen. Eine enge Zusammenarbeit von Industrie, Konsortien und Normung kann diese Gemeinschaftsaufgabe umsetzen.

Der „Digital Product Passport 4.0“ auf Basis der Asset Administration Shell (AAS) hat aus derzeitiger Perspektive das Potenzial, zu einem universellen Datenmodell für die informationstechnische Sektorenkopplung zu werden, wenn er als Basis mit jedem Produkt verbunden ist und der Mehraufwand für weitergehende Anwendungen damit deutlich sinkt.

Normungsaktivitäten:

AAS, IEC/TC 65 WG 24: IEC 63278 (Serie) “Verwaltungsschale für industrielle Anwendungen”
ISO/IEC JTC 1/SC 41 Internet of things and digital twin
IEC/SMB SG 12 Digital Transformation and Systems Approach, TF 3 Semantic Interoperability
Standardization Council Industrie 4.0
New MSB White Paper Project Digital Twin / Cloud for Energy

Bisherige Dokumente: