Smart Metering PoC mit SAP HANA und SAP UI5

FIVE1 hat in der Vergangenheit bereits eine Vielzahl von Projekte auf der SAP Plattform in der Energiebranche durchgeführt. Dazu zählen neben der Architektur und dem Betrieb ganzer Systeme auch die Lösung folgender Herausforderungen: Berechnung des Kundenwerts, Rohertragsberechnung, Systemweite Harmonisierung von Zeitbezügen bis auf Ebene Tag, Self Service BI, Bilanzielle Abgrenzung, Konzernreporting und viele andere mehr.

Im Rahmen einer Master Arbeit haben wir uns nun, zusammen mit einem unserer Kunden, mit der Umsetzung eines Konzepts zur Einführung von kundenindividuellen Tarifen auf Basis von Smart Metering auseinander gesetzt. Dafür wurde zunächst der Strommarkt und seine Mechanismen untersucht. In einem zweiten Schritt wurde dann eine App zur individuellen Angebotserstellung mithilfe des Frameworks SAPUI5 umgesetzt. Die in der App verwendeten Daten wurden direkt aus unserem HANA-System angebunden. Sie stammten aus echten historischen Smart-Meter Werten, die uns dafür freundlicherweise anonymisiert von unserem Partner bereit gestellt wurden.

FIVE1 - Smart Metering PoC - Analyse

Elektrizität ist aus dem heutigen Alltagsleben nicht mehr wegzudenken. Jeder Haushalt in Deutschland ist in irgendeiner Form von Energie abhängig. Angefangen bei der Nutzung von elektronischen Kleingeräten wie Handies, über Haushaltsgroßgeräte oder neuen High Tech Entwicklungen. Der Bedarf an elektrischem Strom unterliegt dabei starken Schwankungen und ist beispielsweise von der Jahreszeit, vom Wochentag oder auch von der Uhrzeit abhängig. Elektrische Energie lässt sich sehr gut mit Kabeln übertragen, auch über weite Strecken. Mit Hilfe der Hochspannungs-Gleichstromübertragung können tausende von Kilometern überwunden werden.
Im Vergleich zu anderen Produkten, wie beispielsweise Auto oder Handy, spielen bei der Anschaffung von Strom Faktoren wie Marke, Herkunft oder Sicherheit kaum eine Rolle. Das wesentlichen Unterscheidungsmerkmal ist der Preis. Daneben spielt noch die Erzeugungsart (Solar, Wasserkraft, Öl, Gas etc) eine gewisse Rolle. Die meisten Stromverbraucher sind an das allgemeine Versorgungsnetz von Energieversorgungsunternehmen (EVU) angeschlossen und werden über dieses mit Strom versorgt. Schließt ein Endkunde einen Vertrag mit einem Stromlieferanten ab, bekommt der Kunde den Strom aus dem allgemeinen Netz. Physikalisch ist es nicht möglich, einem bestimmten Verbraucher individuell mit Strom zu beliefern. Es bekommt also jeder Verbraucher „den gleichen Strom“ aus dem Gesamtnetz, unabhängig von seinem Vertrag. Der Anteil der in das Gesamtnetz eingespeisten Energie entspricht jedoch den mit den Kunden vereinbarten Erzeugungsarten. Hat also bspw. ein reiner Ökostromerzeuger 10% aller Stromkunden für sich gewonnen, so speist er auch 10% vom Gesamtbedarf ins Netz ein.

Seit 1935 gab es in Deutschland den monopolistischen Markt, der mehr als 60 Jahre bis 1998 existierte. In unterschiedlichen Städten und Regionen Deutschland gab es jeweils nur einen Stromversorger, den so genannten Grundversorger, der alle Kunden in seinem Gebiet belieferte. Heute kann jeder Endkunde seinen eigenen Stromversorger frei wählen, weil der Strommarkt in Deutschland liberalisiert ist. Heute existieren zahlreiche Anbieter auf dem Markt. Dabei kann sich jeder für ein beliebiges Angebot dieser Anbieter entscheiden.
Im Gegensatz zum monopolistischen Markt, bei dem sich die Kosten von den Monopolisten festgelegt wurden und anschließen der Genehmigung durch die Wirtschaftsministerien der Bundesländer bedurften, wird heute der Preis für die Strombeschaffung an der Börse, der European Energy Exchange (EEX) in Leipzig, gebildet. Die Preise werden nach dem sogenannten Merit-Order-Prinzip festgelegt. Die Energieversorger bieten Strom zu einem bestimmten Preis an der Börse an. Die kurzfristigen Grenzkosten der jeweiligen Kraftwerke sind dabei maßgeblich, denn diese bilden die Kosten, die Kraftwerke mindestens benötigen, damit keine Verluste entstehen. Diese Grenzkosten hängen von den Betriebskosten des jeweiligen Kraftwerks ab.
Die Gebote werden an der Börse nach dem Preis sortiert. Die erneuerbaren Energien haben Vorrang, dies ist gesetzlich so geregelt. An zweiter Stelle stehen in der Regel Atom- und Braunkohlekraftwerke, gefolgt von Kohle- und Gaskraftwerken, in Abhängigkeit von CO2- und Brennstoffpreisen. Abhängig von der Stromnachfrage werden Kraftwerke zu- oder abgeschaltet.

Den Strompreis bestimmt das jeweils teuerste Kraftwerk, welches benötigt wird, um die Nachfrage zu decken. Es ist das sogenannte Grenzkraftwerk. Steigt die Nachfrage im Laufe des Tages, führt es zu mehr Stromproduktion und Zuschaltung weiterer Kraftwerke, die Folge ist die Steigung des Preises. Sollte es aber viel Strom oder Sonne geben, würden die Kraftwerke der erneuerbaren Energien mehr Strom einspeisen. Dies würde zu einem niedrigeren Preis führen. Das Ziel des Strommarkts ist es, die Nachfrage jederzeit mit Versorgung zu sichern. Das Angebot hängt von der Nachfrage ab, die Schnittstelle verbindet den Kunden mit dem Lieferanten. Dabei stehen die Menge an Strom, das Vorhandensein, die Effizienz und Umweltverträglichkeit im Mittelpunkt. Der Handel lässt sich in drei folgende Segmente aufteilen:

  1. Beim Intraday-Markt wird in Zeitspannen von Viertelstunden- bis Stunden- Blöcken gehandelt. Somit können kurzfristige Käufe realisiert werden und der Strom, der beispielsweise um 14:15 eingekauft wird, kann um 15 Uhr ins Netz eingeflossen werden. Dabei werden die Fehlmengen oder Überschüsse gering gehalten, um keine Ausgleichsenergie bezahlen zu müssen.
  2. Der Day-Ahead-Markt bezieht sich auf den kommenden Tag. Bis 23 Uhr des Vortags müssen die Geschäfte getätigt sein.
  3. Der Termin-Markt ist für längere Zeitperioden vorgesehen. Hier werden die Lieferungen bis zu sechs Jahren im Voraus vereinbart.

Steuern und Abgaben bilden einen weiteren Bestandteil des Strompreises: die Stromsteuer, die Mehrwertsteuer sowie die Konzessionsabgabe, die die Kommunen für die Nutzung des öffentlichen Raums durch die Stromnetzbetreiber erhalten.
Die Haushalts-, Gewerbe- und Industriekunden zahlen ähnliche Strombeschaffungspreise, sind aber bei den Umlagen und Abgaben sehr unterschiedlich beteiligt. Die energieintensive Industrie ist aus Gründen der Wettbewerbsfähigkeit mit Unternehmen im Ausland weitreichend von den Umlagen sowie Steuern und Abgaben befreit.

Zusätzlich zu den Strombeschaffungskosten und staatlicher Steuern und Abgaben müssen die Kosten für die Stromnetze dem Strompreis des Endverbrauchers hinzugerechnet werden. Die Netze werden als natürliche Monopole staatlich reguliert. Dabei handelt es sich vereinfacht ausgedrückt um vier große Stromautobahnen. Im Vordergrund steht die Gewährleistung der Sicherstellung des Systems. Die Übertragungsnetzbetreiber müssen dafür sorgen, dass die Netzspannung und Frequenz aufrechterhalten und die Netze nicht überlastet werden. Sie sind also neben dem Bau und Erhalt des Netzes auch für dessen Stabilität beim Betrieb zuständig. Dafür wurde der so genannte Regelleistungsmarkt von den vier Übertragungsnetzbetreibern eingerichtet. Dabei handelt es sich um eine Internetplattform über welche die Netzbetreiber bei Bedarf Energie zukaufen können. Sie schreiben die Mengen aus, die sie für den sicheren Netzbetrieb benötigen, und die Stromproduzenten geben ihre Angebote ab. Die Strommenge wird zu einem bestimmten Preis angeboten. Die Netzbetreiber erwerben die Möglichkeit, den Strom zusätzlich einzuspeisen – die sogenannte positive Regelleistung. Sie wird durch das Zuschalten weiterer Erzeuger und/ oder durch die Abregelung von Verbrauchern erbracht. Sollten die Kraftwerke heruntergeregelt und/ oder die zusätzlichen Stromverbraucher zugeschaltet werden, die den Verbrauch erhöhen, so wird von der negativen Regelleistung gesprochen. Ein reibungsloser Transport des Stroms funktioniert nur, wenn immer gleichzeitig genau so viel Strom eingespeist wird wie entnommen. Das Netz verträgt keine Abweichungen. Die Balance jederzeit sicherzustellen, erfordert großes Geschick.

Die Stromhändler melden immer für den kommenden Tag die geplante Stromentnahmemenge. Die großen Stromerzeuger melden, wie viel Strom sie durch das Netz schicken wollen. Beide Seiten melden dies viertelstündig.
So genannte Lastprofile stellen dabei die Grundlage für den zeitlichen Verlauf der bezogenen Leistung eines Verbrauchers dar. Abhängig von der Periode gibt es Tagesprofile, die für einen Tag gelten oder Jahresprofile, die dementsprechend den Verbrauch eines Jahres repräsentieren. Das Lastprofil wird auch als Lastkruve oder Lastgang bezeichnet. Generell wird im Winter mehr Energie verbraucht, insbesondere in der abendlichen Spitze. Im Grunde lässt es darauf hindeuten, dass der Tag im Winter kürzer ist und die Temperatur niedriger ist, aus diesem Grund braucht ein Mensch mehr Energie, um das Haus zu heizen, Essen vorzubereiten, Räume zu beleuchten und sich an dunklen Abenden zu unterhalten.
Für die Verbrauchsprognosen werden unterschiedliche Lastprofile verwendet, die von vielen Faktoren, unter anderem von der Verbrauchsgruppe, der Jahreszeit, der Witterung und dem Wochentag abhängen. Bei Feiertagen oder besonderen Ereignissen sind die Prognosen besonders schwierig zu ermitteln. Für Abweichungen von den prognostizierten Lastgängen wird Regelenergie benötigt, die in der Regel deutlich teurer ist als die Energie, die regulär im Day-Ahead-Stromhandel gekauft wird. Bei größeren Strom- und Gasverbrauchern erfolgt eine registrierende Leistungsmessung: Ein Lastgangzähler ermittelt den konkreten Lastgang (mit einer Zeitauflösung von meist 15 Minuten). Die Daten werden automatisch an den Verteilungsnetzbetreiber übermittelt und können dann für die Abrechnung verwendet werden.
Bei Kleinverbrauchern lohnt sich eine Lastgangmessung nicht. Stattdessen wird dem Stromtarif ein Standardlastprofil (SLP) zugrunde gelegt. Es gibt unterschiedliche Standardlastprofile z. B. für Haushalte, Gewerbe, Landwirtschaft, Wochenendbetriebe und Heizwärmespeicher, die jeweils noch nach dem geschätzten Jahresverbrauch skaliert werden. Das Profil eines einzelnen Kunden wird oft erheblich vom verwendeten Standardlastprofil abweichen, jedoch ist es für das EVU nur relevant, dass das Profil im Mittel über viele Kunden möglichst genau ist.

Die voraussichtlich erzeugte Strommenge wird „Dispatch“ genannt. Aus allen Fahrplänen errechnen die Netzbetreiber die Auslastung des Netzes: Wo ist das Netz unter- oder überbelastet? Somit ist es möglich, den Produzenten und Verbrauchern eine Rückmeldung zu geben, im Fall, dass die Ungleichgewichte sichtbar sind. Eine ganz genaue Planung ist schwierig. Denn schon anderes Wetter als vorhergesagt ändert die Strommenge im Netz. Ein Kraftwerkausfall oder eine Störung in der Leitung wirken sich auf das Netz aus. Auch die Nachfrage nach Strom, die sogenannte Stromlast, schwankt mit jedem Einschalten von Licht und Kaffeemaschine. Darauf müssen die Netzbetreiber mit Reservekapazitä-ten sofort reagieren. Hier kommt die Regelenergie zum Einsatz. Eine kurzfristige Änderung des Kraftwerkseinsatzes der Netzbetreiber heißt „Redispatch„.

FIVE1 - Smart Metering PoC - Angebotserstellung

Bei der im Rahmen dieser Masterarbeit entwickelten App handelt es sich um einen Prototyp, welcher für die Erstellung von Angeboten im Segment der Stromtarife entwickelt wurde. Möglich sollte es sein, nach Kunden und deren Verbrauchsdaten zu suchen und individuelle, personalisierte Angebote zu erstellen. Die sortierten Ergebnisse sollten in einer Tabelle repräsentiert werden. Die Konsumentendaten sollten grafisch dargestellt werden, um optisch eine Entscheidung bezüglich der optimalen und/ oder attraktiven Tarife zu unterstützen. Mit der Angebotserstellung soll es möglich sein, einen Kunden auf neue Tarifangebote aufmerksam zu machen und als Kunden zu behalten bzw. als einen neuen Kunden zu gewinnen. Die App soll benutzerfreundlich und einfach in der Bedienung sein. Der App-Nutzer (Call-Center-Agent) ist bereits im System eingeloggt und hat die App auf dem Bildschirm offen. Die Start-Ansicht beinhaltet eine Suchmaske. Es findet parallel ein Gespräch mit einem Stromkunden statt. Sollte der Agent weitere Informationen vom Kunden brauchen, so spricht er ihn direkt an, um die ermittelten Daten für die Suche in das System einzugeben. Der Call-Center-Agent gibt die nötigen Informationen in die Suchmaske ein, bis er die Daten des Kunden im System gefunden hat. Hierfür stehen die Suchfelder Name, Vorname, Geburtsdatum und weitere Felder zur Verfügung. Hat der Call-Center-Agent den Kunden gefunden und ausgewählt, stehen ihm die Kundendaten zur Ansicht zur Verfügung. Nun kann der Call-Center-Agent den Zeitrahmen für die Darstellung der Daten einstellen. Zur gleichen Zeit, abhängig von der Auswahl, wird der Verbrauch des Kunden grafisch repräsentiert. Der Call-Center-Agent analysiert die Daten. Hier können folgende Fälle des Energieverbrauchs auftreten:

  1. Der Verbrauch ist zu verschiedenen Jahreszeiten unterschiedlich ausgeprägt. Eine Umstellung nach Saison, Winter- oder Sommertarif ist erwünscht, da der Verbrauch im Sommer oder im Winter geringer ist. Die Umstellung ist mit einem Zusatzbeitrag verbunden, jedoch spart der Kunde durch den niedrigeren Preis pro Kilowattstunde. Der niedrigere Preis könnte auch zu einem höheren Konsum führen, dies wäre für den Anbieter von Interesse.
  2. Der Kunde wünscht sich einen Tarif in Abhängigkeit von der Uhrzeit, da er zu einer bestimmten Zeit mehr Strom verbraucht und diesen gerne zu einem niedrigeren Preis beziehen möchte. Er zahlt ebenfalls einen Zusatzbeitrag für die Umstellung, ge-winnt jedoch durch den geringeren Preis, wie im ersten Beispiel.
  3. Der Kunde wünscht sich einen Tarif in Abhängigkeit mit den Wochentagen, da er eventuell an Wochenenden deutlich mehr verbraucht. Das Prozedere ist ähnlich wie in Beispielen 1 oder 2.
    Der gewünschte Tarif wird mit dem Kunden abgesprochen und bei Interesse in die Kalkulation mit eingeschlossen. Der Ablauf endet an dieser Stelle und beginnt wieder von vorne, nachdem der Call-Center-Agent zur Suchmaske wechselt.
    Anmerkung: “Der günstigere Tarif” existiert als solcher nicht, da es individuell vom Kundenverbrauch abhängt, wie hoch der Betrag ist und wie sich die Kalkulation zusammensetzt. Da die Umstellung der Tarife mit einem zusätzlichen Aufwand für den Anbieter verbunden ist, fließt der Umstellungsbeitrag in die Kalkulation mit ein.

Für das Front-End wird das SAPUI5-Framework verwendet. Hierzu wird SAP HANA XS als Plattform für Online-Anwendungen benötigt. SAP HANA XS ist ein Applikationsservice, der komplett in SAP HANA integriert ist. Dies ermöglicht den Zugriff auf SAP HANA über den HTTP-Zugriff. Auf der HANA XS Engine wurden Applikationen mit dem SAPUI5-Framework entwickelt.

In Schweden wurde bereits 2005 mit der Umrüstung begonnen und heute sind alle Haushalte mit Smart Metern ausgestattet. Auch in Finnland und Italien sind Smart Meter weit verbreitet. Laut European Smart Metering Landscape Report 2012 sind auch große Fortschritte in Estland, Frankreich, Großbritannien, Irland, Malta, Niederlande, Norwegen, Portugal und Spanien gemacht worden. Deutschland hinkt hier noch deutlich hinterher. Die Bundesregierung sieht vor, im Jahr 2020 80% aller Haushalte mit Smart Metern auszustatten. Eine aktuelle Problematik ist, dass bereits installierten Geräte untereinander meist nicht kompatibel sind, das spricht für keinen Standard und keine zentrale Stelle, wo alle Daten sicher übertragen werden könnten.

Mitte 2008 wurde in Mülheim ein Smart Meter-Pilotprojekt unter dem Namen “Mühlheim zählt” gestartet. Dieses wurde von RWE durchgeführt. Es sind über 100.000 Geräte installiert worden. Die Stadt wurde praktisch flächendeckend ausgestattet. Dabei hat RWE über 30 Millionen Euro investiert. Mülheim ist die erste größere Stadt Deutschland, die nahezu flächendeckend mit der modernsten Zählertechnik ausgestattet ist.
Die Lösung für die Haushalte und Gewerbebetriebe bestehen aus zwei Komponenten: dem elektronischen Zähler und einem zusätzlichen Informations-/ Kommunikations-Modul. Über dieses Modul können künftig auch Gas-, Wasser- und Wärmezähler fern ausgelesen werden. Bei dem Pilotprojekt spielte es keine Rolle, ob der Verbraucher Vertriebskunde von RWE war oder nicht. Die Sicherheit der eingesetzten Fernauslesung war mindestens so sicher wie das Online-Banking.
Durch die Begleitforschung wurde ermittelt, dass die Testgruppe im Zeitraum zwischen 2010 und 2011 durchschnittlich um 2,8 Prozentpunkte mehr Strom eingespart hat als eine Vergleichsgruppe außerhalb von Mülheim, die nicht über Smart Meter verfügte. Insgesamt belief sich die durchschnittliche Einsparung der Testgruppe in Mülheim mit 211 Teilnehmern auf 4,4% gegenüber 1,6% bei den 207 Vergleichshaushalten.
Darüber hinaus sind hohe Einspareffekte bei den Teilnehmenden festgestellt worden, die den eigenen Verbrauchsverhalten durch aktives Handeln unterstützt haben. Dazu zählten beispielsweise die Anschaffung von Energiesparlampen und Steckdosenleisten, der Austausch von Geräten mit einer niedrigen Energieeffizienz oder der Verzicht auf den Standby-Modus. Die Ergebnisse machen damit deutlich, dass die Bereitschaft der Verbraucher, aktiv etwas für die Energieeinsparung zu unternehmen, einen wesentlichen Einfluss auf die erzielbaren Ergebnisse hat.

Das Umdenken bei der Nutzung der Ressourcen über finanzielle Anreize kann demnach menschliche Handlung und Denkprozesse beeinflussen. Dieser Eingriff ist von psychologischer Natur und könnte im Alltag der Menschen vieles ändern und sich somit auf das gesamte Leben auswirken. Es lassen sich folgende Ziele von Smart Metering erkennen und besonders im Vordergrund stellen:

  • Verbesserung der Energieeffizienz und Senkung des Ressourcenverbrauches,
  • Steuerung und Überwachung des Ressourcenverbrauches und individueller Geräte,
  • variable Leistungsentgelte in Abhängigkeit von der Gesamtnachfrage und Netzauslastung.

Als noch aussichtsreicherer ist der Ausbau der Stromnetze hin zum intelligenten Netz, dem so genannten Smart Grid zu sehen. Mit dem Smart Grid soll der Betrieb von Energieversorgungsnetzen langfristig gesichert, die regenerativen Energiequellen nachhaltig integriert werden. Smart Grid ermöglicht den Einklang zwischen dem schwankenden Angebot erneuerbarer Energien mit dem Verbrauch. Die miteinander verbundenen Bestandteile des Netzes können überwacht und optimiert werden. Die gelieferten Daten sorgen für die besseren Prognosen und optimierte Strombeschaffung. Dank Smart Metering werden Stromnetz und die Stromerzeugung reaktionsfähiger und flexibler. Durch die gleichmäßige Auslastung der Netze können Kraftwerke effizienter betrieben werden. Dadurch wird auch ein besserer Umgang von Ressourcen ermöglicht. Dies würde mit einem niedrigeren Ausstoß des CO2 verbunden und sich somit positiv auf die Umwelt auswirken. Eine Win-Win-Sitution für alle Stakeholder.

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