BMWi-Gutachten befürwortet 450-MHz-Netz für Energieversorger

Mobilfunk, Breitband, Powerline, 450-MHz-Funk oder doch LoRaWAN? Welche Telekommunikationsinfrastrukturen eignen sich für die moderne Energieversorgung? Eine umfassende Analyse im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums.

Die Experten des Wissenschaftlichen Instituts für Infrastruktur und Kommunikationsdienste (WIK) haben im Auftrag des Bundeswirtschaftsministeriums  die Anforderungen der Energieversorgung an Telekommunikationsinfrastrukturen und an die Regulierung untersucht. Sie prüften im Rahmen des Projektes
„Digitalisierung der Energiewende, Barometer und Topthemen“ von E&Y, wie die bestehenden Infrastrukturen diese Anforderungen erfüllen können.

Die Gutachter kommen zu dem Ergebnis, dass ein eigenes Mobilfunknetz für kritische Infrastrukturen im Frequenzbereich 450 MHz die besonderen Anforderungen umfassend und mit den niedrigsten Kosten erfüllen könnte. Nach Auffassung der Gutachter bietet die anstehende Neuvergabe für die Nutzungsrechte an 450 MHz-Funkfrequenzen eine große Chance für die Energiewende.

Ausgangsbedingungen

Die Anforderungen an Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT), die den Einsatz von Smart-Meter-Gateways unterstützen, sind komplex und vielfältig, da die Geräte Anwendungen von Smart Metering über Smart Grid, Smart Mobility bis hin zu Smart Home, Services und Building unterstützen sollen.

Für eine Vielzahl von Anwendungen ist daher ein „Quality of Service“ bei der Datenübertragung genauso zwingend wie ein schwarzfallfester Telekommunikationsdienst. Neben netzkritischen Datendiensten soll auch die im Notbetrieb essentielle Sprachkommunikation unterstützt werden.

Schwarzfallsicherheit zwingend nötig

Für Verteilnetz- und Messstellenbetreiber stellt sich die Frage, ob die vorhandenen Angebote von Telekommunikationsnetzbetreibern hinreichend geeignet und verfügbar sind, die Digitalisierung von energiewirtschaftlichen Prozesse entweder im Verteilernetz und im Messwesen oder lediglich in Einzelbereichen unterstützen.

Die genutzten Telekommunikationsnetze müssen somit zwingend auf allen Netzebenen über eine Batteriepufferung bzw. Notstromversorgung verfügen. Ist dies nicht der Fall, können die nicht kommunikativ angebundenen Anlagen und Lasten im Schwarzfall durch unkontrollierte Abgabe bzw. Abnahme von Elektrizität kontraproduktiv und somit systemschädigend wirken. Die WIK-Fachleute nahmen daher die unterschiedlichen Kommunikationsmittel unter die Lupe.

Kabelgebundene Breitbandinfrastruktur:

Nach Ansicht der Gutachter sind Breitbandkabel, Glasfaser und DSL technisch grundsätzlich sehr gut geeignet, jedoch seien verschiedene Einschränkungen zu berücksichtigen.

Zunächst sei ein vom Endkundenanschluss entkoppelter Betrieb notwendig, um den geforderten Durchgriff des SMGW-Administrators auf das SMGW zu jedem notwendigen Zeitpunkt zu gewährleisten. Die dazu nötigen technischen Rahmenbedingungen, wie eine dedizierten physikalische Leitung oder eine exklusiven Datenverbindung mit garantierter Bandbreite, sind heute beim Breitbandkabel und bei DSL nicht vorhanden. Im Rahmen des Glasfaserausbaus, der in Deutschland mit etwa zehn Prozent der angeschlossenen Haushalte noch in seinen Anfängen steckt, könnten die beiden Restriktionen wegfallen.

Eine flächendeckende Verfügbarkeit von kabelgebundenen TK-Infrastrukturen exklusiv für energiebezogene Anwendungen sei aktuell jedoch nicht gegeben. Daher seien kabelgebundener Breitbandinfrastrukturen auch mittel- und langfristig nur in Kombination mit anderen TK-Infrastrukturen denkbar. Außerdem fehle es an einer synergetischen Nutzung dieser Technologien wie etwa der Steuerung und Kontrolle von Betriebsmitteln, Notfallkommunikation, marktliche Prozesse.

Power-Line-Communication (PLC):

Die PLC-Technik bietet laut Analyse in der breitbandigen Variante (BB-PLC) aus technischer Sicht grundsätzlich Potential zur Anbindung von Gateways. Die Erfahungsberichte aus Pilotprojekten würden aber ein uneinheitliches Bild über die Leistungsfähigkeit der Technologie vermitteln. Diese hänge  beispielsweise vom jeweils eingesetzten Standard ab.

Zudem wird die Wirtschaftlichkeit maßgeblich von der Penetration der Gateways sowie der Nutzung von Wide-Area-Networks beeinflusst, mit denen der Datenverkehr zu den Backend-Systemen transportiert wird. Der Aufbau und Betrieb einer spezifischen PLC-Infrastruktur sei als Technologiemix mit weiteren draht- oder funkbasierten Telekommunikationsinfrastrukturen denkbar. Eine synergetische Nutzung ist allerdings nicht gegeben, da keine Sprachkommunikation im Notfall unterstützt wird, so der Minuspunkt.

Funkanwendungen im nicht exklusiv nutzbaren Funkspektrum:

Die in den vergangenen Jahren zunehmenden Funktechnologien für Maschine-zu-Maschine-Kommunikation
(Internet der Dinge) wie LoRaWAN oder Sigfox greifen auf Frequenzen zurück, für die es keine exklusiven Frequenznutzungsrechte gibt. Da es keine exklusive Nutzung der Frequenzen gibt, können die Anbieter jedoch keine Übertragungsqualitäten garantieren, so das Fazit.

Netzkritische und sicherheitsrelevante Anwendungen im intelligenten Energienetz können insoweit nicht unterstützt werden. Ebenso reichen in der Regel die Übertragungskapazitäten dieser Funktechnologien nicht aus, um beispielsweise die gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich einer Versorgung bei einer hohen Durchdringung von bis zu von 95 Prozent der Haushalte zu erfüllen.

Öffentlicher LTE-Mobilfunk im Bereich unter einem GHz:

In Deutschland werden drei parallele Mobilfunknetze betrieben: die wesentlichen Anwendungen dazu sind allerdings eher dem Massenmarkt zuzuordnen. Energiewirtschaftliche Anwendungen, die stark von der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation geprägt sind und sich auch in ihren technischen und örtlichen Anforderungen  zum Teil erheblich von Massenmarktdiensten unterscheiden, hatten bisher kaum Einfluss auf die eingesetzte Technologie oder den Netzaufbau.

subGHz-Frequenzen als Lösung?

Jedoch verfüge die LTE-Mobilfunkinfrastruktur bereits über eine signifikante Anzahl von Basisstationsstandorten, die durch die Nutzung von sogenannter subGHz-Frequenzen (800 und 900 MHz) besonders geeignet sind, um auch die Erschließung schwierig anbindbarer Kellerraumstandorte zu ermöglichen. Über den weiteren Netzausbau im 700MHz-Bereich könne sich die Versorgung weiterhin verbessern.

Dennoch haben die durchgeführten Modellrechnungen gezeigt, dass die Erfüllung eines Abdeckungsziels von 95 Prozent der potentiellen Gateways einen statistisch betrachtet signifikanten Netzausbaumehr als 10.000 zusätzliche Basisstationen, auslöse. Ein solcher Ausbau sei nicht zu erwarten.

Contra Mobilfunk

Neben der Abdeckungsproblematik ist als weiteres Defizit der aktuell angebotenen Mobilfunkdienste die fehlende Priorisierung von Daten bei der Übertragung zu benennen. Diese ist in LTE-Netzen zwartechnisch verfügbar und werde netzbetreiberintern etwa für den VoIP-Dienst genutzt. Aktuell gebe es jedoch keine Angebote für Dritte, die es beispielsweise einem SMGW-Administrator oder einem Verteilernetzbetreiber ermöglichen würden, einen LTE-Datendienst mit einer garantierten Datenrate zu nutzen.

Eine synergetische Nutzung sei damit zwar theoretisch denkbar, aber praktisch nicht gegeben, weil die öffentlichen Mobilfunknetze in der Regel in ihren jeweiligen Zugangsnetzen nicht schwarzfallfähig sind, beziehungsweise mehr als 26.000 Basisstationen schwarzfallfähig gemacht werden müssten.

LTE-Mobilfunknetz für kritischen Infrastrukturen bei 450 MHz:

Auch der Aufbau eines dedizierten LTE-Mobilfunknetzes bei 450 MHz wurde betrachtet. Denn im Bereich 450 MHz werden drei Mal weniger Sendeanlagen benötigt als in den Frequenzbereichen, die von öffentlichen Mobilfunknetzbetreibern genutzt werden. Dadurch, dass sich Nutzerkreise definieren und Priorisierungsfunktionen umsetzen lassen, kann von einer technischen Umsetzbarkeit beispielsweise aller notwendigen SMGW-bezogenen Kommunikationsanforderungen ausgegangen werden, heißt es weiter.

Anders als bei öffentlichen Mobilfunknetzen steht heute kein signifikantes, also flächendeckendes Basisnetz zur Verfügung. Diese Frequenzen werden heute nur in einzelnen Regionen oder Städten in Deutschland eingesetzt. Hierbei kommt die CDMA-Technologie zum Einsatz. In der Folge müssen die nur punktuell verfügbaren
CDMA-450-basierten regionalen Netze erweitert und im Sinne einer langfristigen Nutzung mittelfristig auf LTE migriert werden. Erste Netze im städtischen Umfeld zeigen, dass zur Abdeckung einer Großstadt wie Düsseldorf weniger als zehn Basisstationen nötig sind. Da ein 450-MHz-Netz im Vergleich zu anderen Funknetzen mit vergleichsweise wenigen Standorten und aktiven Netzelementen auskommt, kann eine Schwarzfallfestigkeit im Vergleich zu anderen TK-Netzen deutlich einfacher und kostengünstiger realisiert werden. Zudem würden diesen Weg  bereits einzelne Verteilernetzbetreiber gehen.

Schlussbilanz

Die technische Analyse zeigt, dass bis auf die Ausnahme von Telekommunikationsdiensten in einem 450-MHz-Band die relevanten Kommunikationstechnologien bzw. –infrastrukturen keine synergetische Nutzung ermöglichen. Sofern nur Teile von energiewirtschaftlichen Anwendungen im Hinblick auf ihre telekommunikationsspezifischen Anforderungen betrachtet werden, stehen zwar mehrere Kommunikationstechnologien und –infrastrukturen zur Verfügung, die dann aber nur in einem Technologiemix genutzt werden können.

Interessenskonflikte um 450 MHz

Allerdings warnt das Gutachten vor einen Interessenkonflikt zwischen Betreibern kritischer Infrastrukturen im Energiesektor einerseits und den Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben (BOS) und der Bundeswehr andererseits.

Sofern die Bundesnetzagentur den Frequenzplan dahingehend ändert, dass die Frequenzen künftig exklusiv für BOS und Bundeswehr zur Verfügung stehen, wäre zu bezweifeln, das Verteilernetzbetreiber und Messstellenbetreiber überhaupt schwarzfall-feste Telekommunikationsdienste nutzen könnten, so der Bericht.

Neuvergabe der Frequenzen

Es wäre dann damit zu rechnen, dass die am Markt angebotenen Telekommunikationsdienste solche Verfügbarkeitseinschränkungen haben, dass relevante EU-rechtliche Anforderungen de facto nicht erfüllt werden können. Sofern weiterhin Telekommunikationsdienste, die auf 450-MHz-Frequenzen zurückgreifen, für energiewirtschaftliche Anwendungen genutzt werden können, sollte bei der Neuvergabe der Frequenzen die Bundesnetzagentur darauf achten, dass die Nutzungsbedingungen so ausgestaltet sind, dass Investitionen in ein national verfügbares Funknetz für kritische Infrastruktur gefördert werden.

Anreize für Glasfaser schaffen

Des Weiteren zeigen die Analysen, dass eine Anbindung von Gateways über Glasfaserzugangsnetze einfacher wird, wenn mittelbar die Anreize für Investitionen in solche Netze gestärkt werden. Eine höhere Penetration von FttB/H-Anschlüssen ist prinzipiell geeignet, die Anbindung von SMGW zu verbessern. Hierbei sei jedoch zu beachten, dass zusätzlich noch Inhaus-Verkabelungen vorgenommen werden müssen.

Welche Lösung bevorzugen die EU-Staaten?

Im Rahmen der Studie wurden noch internationale Erfahrungen mit der Anbindung von SMGW beleuchtet. Hier zeigt sich ein sehr unterschiedliches Bild. Während die Niederlande und auch Österreich auf den Einsatz von 450-MHz-Frequenzen setzen, werden in anderen Staaten auch leitungsgebundene Kommunikationstechnologien eingesetzt, wobei es hier keine synergetische Nutzung über Smart Grid und Smart Market gibt.

Über den Verband EUTC setzt sich die Energiewirtschaft jedoch europaweit für die Nutzung von Frequenzen im Bereich 450 MHz ein. Die Untersuchung zeigt im Ergebnis, dass die Möglichkeit besteht, eine TK-Infrastruktur synchron mit der Energiewende aufzubauen, um neben der SMGW-Vernetzung weitere spezifische energiewirtschaft-liche Anwendungen im Verteilernetz zu unterstützen. Diese Option sei aber von der konkreten Ausgestaltung der Frequenzregulierung für den Frequenzbereich 450 MHz abhängig, so das Fazit. (sg)

siehe dazu auch:
Allianz für 450-MHz-Funkfrequenz gegründet
Pilotprojekt zu 450-MHz-Funknetz

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