Schlüsseltechnologien der All Electric Society

Im Kontext der industriellen Digitalisierung, auch als Manufacturing-X bezeichnet, lässt sich die Verwaltungsschale (Asset Administration Shell) als digitaler Zwilling eines Teilnehmers innerhalb einer Gesamtheit bezeichnen.

Zentrales Wesen der AAS ist es, einen Datenraum auf standardisierte Weise zur Verfügung zu stellen. Diese Standardisierung schafft die Grundlage für einen herstellerübergreifenden Datenaustausch zu unterschiedlichen Komponenten oder Systemen. Die AAS beinhaltet aber nicht nur Schnittstellen, sondern lässt sich ebenfalls für CO₂-Kennzahlen verwenden. Indem der digitale Zwilling sämtliche Schnittstellen und Eigenschaften standardisiert zur Verfügung stellt, eröffnen sich gerade bei der Sektorenkopplung neue Wege der Verknüpfung – vor allem hinsichtlich durchgängiger Wertschöpfungsketten oder vernetzter Systeme.

Hacker konzentrieren sich schon lange nicht mehr auf die IT-Welt allein. Auch die Operation Technology – kurz OT – ist ins Fadenkreuz geraten. Weil vernetzte und intelligente Systeme für die All Electric Society aber notwendig sind, bekommt auch diese Entwicklung immer mehr Relevanz.

Industrial Security hat die Aufgabe, diese Lösungen ganzheitlich zu schützen. Idealerweise sind Automatisierungslösung bereits von Haus aus gegen Cyber-Angriffe geschützt. Hierzu zählen z. B. Steuerungen der PLCnext Control-Familie von Phoenix Contact, die nach Security-Anforderungen des TÜV zertifiziert sind. Alles, was bereits geprüft ist, macht es am Ende des Tages einfacher und schneller, ein Gesamtsystem abzusichern – dazu zählt auch eine enge Zusammenarbeit mit Kunden auf Applikationsebene.

Einspeisemanagement ist eine Schlüsseltechnologie für zukunftsfähige Stromnetze und die damit einhergehende Sektorenkopplung, weil es hilft, volatile Stromabnahmemengen auszugleichen. Es ermöglicht die sichere Integration dezentraler Energieerzeugungsanlagen wie z. B. PV-Anlagen, BHKWs oder Windparks in das Stromnetz.

Dabei gilt es, den erzeugten Strom so ins Netz einzuspeisen, dass es zu keiner Überlastung oder Instabilität des Netzes kommt. Netzbetreiber geben klare Vorgaben zur Auslastung der Netzfrequenz und -spannung sowie zu Wirk- und Blindleistung. Der Einspeiseregler von Phoenix Contact trägt dazu bei, die Herausforderungen der regulierten Einspeisung zu bewältigen. Durch die präzise Steuerung der Einspeiseleistung ermöglicht er nicht nur eine effiziente Integration erneuerbarer Energieträger, sondern vielmehr eine erfolgreiche Kopplung der Sektoren.

Wind- und Solarenergie sind wetterabhängig. Zur kontinuierlichen Energieversorgung, die unabhängig ist von natürlichen Schwankungen, bedarf es darum Energiespeicher. Sie optimieren das Energiemanagement, indem sie überschüssige Energie in Zeiten geringer Nachfrage speichern und in Spitzenzeiten abgeben. Dies reduziert den Bedarf an konventionellen Spitzenlastkraftwerken, was zur Stabilisierung des Stromnetzes beiträgt.

Energiespeicher erleichtern den Übergang zu einem erneuerbaren Energiesystem, fördern den Ausbau nachhaltiger Infrastrukturen und tragen zur Reduzierung von CO₂-Emissionen bei. Es gibt vielfältige Möglichkeiten, verfügbare Energie, die erst zu einem späteren Zeitpunkt benötigt wird, physikalisch oder chemisch zu speichern. Ob Batteriespeicher, Speicherkraftwerke oder Kondensatoren – Energiespeicher sind entscheidend für eine nachhaltige und elektrifizierte Zukunft.

Der Anstieg der dezentralen Energieerzeugung durch Solaranlagen, Windparks und andere Quellen fordert die Infrastruktur der Stromnetze heraus. Für eine flexible und zukunftsfähige Energieverteilung müssen Stromnetze wirtschaftlich ausgebaut und digitalisiert werden, denn die präzise Steuerung der Energieflüsse vermeidet Engpässe und wird somit zum Schlüssel der All Electric Society. Die Analyse von Verbrauchs- und Erzeugerdaten gewährleistet einen kosteneffizienten Infrastrukturausbau und eine nachhaltige Energieverteilung.

Ob AC oder DC – generell gilt, dass jede Umwandlung des Stroms von der einen in die andere Energieform einem Verlustgeschäft gleicht. Diese Aussage gewinnt gerade in der All Electric Society an Gewicht, in der die Grenzen zwischen Produzenten und Abnehmern immer mehr verschwimmen.

Um die Wandlungsverluste zu begrenzen, setzen wir bei der Sektorenkopplung auf Gleichstromnetze. Die Vorteile dafür liegen in spürbaren Effizienzverbesserungen, steigenden Wirkungsgraden und vereinfachter Installation. So lassen sich z. B. regenerative Energiequellen einfacher integrieren, weil Gleichrichter weitgehend entfallen. Ein weiterer Vorteil von Gleichstromnetzen: Bremsenergie kann einfacher zurückgewonnen werden, wenn elektrische Motoren beim Bremsen zum Generator werden.

Daten schaffen Transparenz. Aus ihnen lassen sich Informationen gewinnen, die die Wechselwirkungen innerhalb verketteter Teilprozesse aufzeigen. Sie auszutauschen, erfordert Kommunikation – und hier erlebt vor allem die Automatisierungstechnik einen strukturellen Wandel: Kommunikationstechnologien aus der breiten öffentlichen Anwendung finden immer mehr Einzug in Produktionshallen. Ein Beispiel dafür ist Time-Sensitiv Networking (TSN), ein zweites Single Pair Ethernet (SPE), das ursprünglich entwickelt wurde, um Multimediaanwendungen im Kfz zu verbinden.

In der All Electric Society verbessern diese Technologien die Kommunikation zwischen gekoppelten Sektoren; und das frei von spezifisch entwickelten Chips. Die Skaleneffekte aus der Breitenanwendung werden in Zukunft die passgenaue Kommunikation noch einfacher und auch preiswerter machen.

Die Elektrifizierung des Verkehrs ist ein Schlüsselaspekt der All Electric Society und der erfordert eine flächendeckende und smarte Ladeinfrastruktur. Diese zeichnet sich durch intelligente Lastmanagementsysteme aus, die Voraussetzung in der effizienten Nutzung von Ladeparks sind.

Diese Systeme ermöglichen nicht nur ein schnelles Laden durch High Power Charging (HPC), sondern auch bidirektionales Laden im Sinne des Vehicle-to-Grid-Konzepts. Denn Elektrofahrzeuge können nicht nur Energie aufnehmen und speichern, sondern bei Bedarf auch ins Netz einspeisen. Die intelligente Ladesteuerung von Phoenix Contact CHARX control ist ein Paradebeispiel für die Einspeisung der Energie nach Priorität und trägt damit zur Stabilisierung des Stromnetzes und Integration erneuerbarer Energien bei.

Peak Shaving und Load Shifting sind die zentralen Begriffe für ein wirksames Lastmanagement. Beide Methoden vermeiden teure Spitzenlasten im Stromnetz. Beim Peak Shaving werden Lastspitzen durch die gezielte Nutzung von Energiespeichern und ein nachhaltiges Energiemanagement reduziert. Beim Load Shifting besteht das Ziel wiederum darin, Energieverbrauchsspitzen auf Zeiten mit niedriger Nachfrage zu legen.

Dafür gilt es, sich frühzeitig ein Bild über erwartete Bedarfsmengen zu verschaffen, z. B. mit Hilfe eines umfassenden Energiemonitorings. Lastmanagement fördert die Effizienz der Energieversorgung und trägt zur Gestaltung einer modernen Energieinfrastruktur für die All Electric Society bei.

Eine zentrale Herausforderung der All Electric Society besteht darin, regenerativ erzeugten Strom sektorübergreifend transportabel und haltbar – und damit zeitlich entkoppelt nutzbar zu machen.

Ein Weg: Die Elektrolyse grünen Wasserstoffs aus überschüssigem Wind- oder Solarstrom. Wasserstoff kann nicht nur transportiert und gelagert werden, sondern dient auch als Grundlage für die Synthese von Kraftstoffen wie Methanol oder Ammoniak. Wasserstoff ist darüber hinaus ein wichtiges Element für die Prozessindustrie. In Stahlwerken hat Wasserstoff das Zeug, den aus Steinkohle gewonnenen Koks zu ersetzen und so die Stahlproduktion wirksam zu dekarbonisieren. Und als „Treibstoff“ für Brennstoffzellen eingesetzt, entsteht durch die kontrollierte Oxidation von Wasserstoff jede Menge elektrische und thermische Energie. Beides lässt sich nutzen – und zwar dann, wenn die Energie benötigt wird.