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Stromzähler

Die Mengen an elektrischer Energie, die z. B. ein Haushalt verbraucht, werden üblicherweise mit einem Stromzähler gemessen. (Andere Bezeichnungen sind Energiezähler, Elektrizitätszähler und Kilowattstundenzähler.) Dieser ist üblicherweise im Keller montiert, in einem Zählerschrank nahe bei den Hauptsicherungen. In manchen Fällen befindet sich der Zähler in einem von außen zugänglichen Hausanschlusskasten. In Mehrfamilienhäusern gibt es mindestens einen Zähler pro Wohnung, zusätzlich z. B. einen Zähler für den Betrieb von Heizungsanlage, Treppenhausbeleuchtung, etc. Die gelegentliche Zählerablesung bietet die Grundlage für die Stromrechnungen.

Der Begriff Stromzähler ist etwas ungenau, da ein solcher Zähler nicht etwa die elektrische Stromstärke aufintegriert, sondern die Wirkleistung; er zeigt also die in einem bestimmten Zeitraum (meist von der Inbetriebnahme zur Gegenwart) bezogene Energiemenge, indem er zusätzlich zur Stromstärke die elektrische Spannung und (bei Wechsel- oder Drehstrom) den Phasenwinkel berücksichtigt.

Für Abrechnungszwecke müssen die Stromzähler z. B. einmal jährlich abgelesen werden. Neuartige elektronische Zähler (siehe unten) bieten aber auch die Möglichkeit einer automatisierten Fernablesung. Das Gehäuse ist versiegelt, um unberechtigte Manipulationen zu verhindern.

In der Regel werden Stromzähler von den jeweiligen Energieversorgungsunternehmen bereitgestellt und bleiben in deren Eigentum. Die dabei entstehenden Kosten werden über den Grundpreis des Stromtarifs abgegolten.

Stromzähler können natürlich auch vom Kunden dafür verwendet werden, den Stromverbrauch regelmäßig zu überwachen. Für diesen Zweck sind allerdings spezielle Energiemonitore oft besser geeignet. Sie können beispielsweise die momentane Leistung oder den Verbrauch der letzten Stunden an einem gut zugänglichen Ort innerhalb einer Wohnung anzeigen. Oft ist auch die Auswertung des zeitlichen Verbrauchsprofils über längere Zeiten möglich.

Mehrtarifzähler

Einfache Eintarif-Stromzähler messen nur die gesamte bezogene Energiemenge, unabhängig z. B. von den Tageszeiten. Wer Niedertarifstrom z. B. in Form von Nachtstrom günstiger bezieht, benötigt mindestens einen Zweitarifzähler (oder Doppeltarifzähler), der die Energiemengen zu den Hochtarif- und Niedertarifzeiten separat ermittelt. Die Tarifzeiten können durch einen angebauten Rundsteuerempfänger festgelegt werden. Das Energieversorgungsunternehmen stellt dann in der Regel einen solchen Mehrtarifzähler zur Verfügung, verrechnet aber auch eine erhöhte monatliche Grundgebühr. Deswegen lohnt sich ein Mehrtarif-Vertrag nur, wenn erhebliche Energiemengen zu den Niedertarifzeiten bezogen werden, z. B. für Elektroboiler oder gar eine Elektro-Nachtspeicherheizung.

Ferraris-Zähler

Die seit Jahrzehnten bis heute üblichen Energiezähler arbeiten nach dem Ferraris-Prinzip (nach Galileo Ferraris). Im Prinzip handelt es sich um eine Art von Elektromotor (Asynchronmotor). Eine Aluminiumscheibe (die meist teilweise durch ein Glasfenster sichtbar ist, siehe Abbildung 1) wird mit einem Drehmoment angetrieben, welches (für eine gegebene Netzfrequenz) proportional zur momentan übertragenen Wirkleistung ist, und gleichzeitig durch eine Wirbelstrombremse gebremst. Somit entsteht eine Drehzahl der Scheibe proportional zur Wirkleistung; der Zähler arbeitet als Wirkstromzähler, d. h. er reagiert nicht auf Blindströme. Über ein Getriebe wird ein mechanisches Zählwerk angetrieben, das schließlich die seit Inbetriebnahme übertragene Energiemenge anzeigt, meist in Kilowattstunden. Die momentan übertragene Leistung kann (etwas mühsam) ermittelt werden, wenn man die Zeit für eine volle Umdrehung der Scheibe mit einer Stoppuhr bestimmt; auf dem Zähler ist meist angegeben, wie viele Umdrehungen einer Kilowattstunde entsprechen.

Ferraris-Zähler sind erhältlich für Einphasen-Wechselstrom, aber die meisten Modelle arbeiten mit Drehstrom. Effektiv addieren sie die Energiemengen für alle drei Phasen auf, unabhängig von einer eventuellen Schieflast. Für hohe Leistungen werden Ferraris-Zähler über einen Stromwandler (eine Art von Transformator) angeschlossen, so dass nicht der volle Strom durch den Zähler fließen muss. Für hohe Spannungen werden Spannungswandler eingesetzt.

Wie erwähnt wird von solchen Zählern die reine Wirkleistung berücksichtigt, nicht jedoch die Blindleistung. Wenn einem größeren Verbraucher (etwa einem Industriebetrieb) auch bezogene Blindleistung verrechnet werden soll, muss also zusätzlich eine modifizierte Art von Stromzähler (ein Blindstromzähler) eingesetzt werden.

Die Genauigkeit von Ferraris-Zählern ist für Abrechnungszwecke in der Regel ausreichend, bei niedrigen Leistungen (wenige Prozent der Nennleistung) jedoch recht bescheiden. Alte, schon lange nicht mehr geeichte Ferraris-Zähler können in eher seltenen Fällen sehr ungenaue Messwerte liefern. Es wird gelegentlich berichtet, dass der Austausch eines Zählers die zukünftigen Stromrechnungen erheblich reduzierte, weil der alte Zähler offenbar deutlich zu viel gemessen hat. Es ist jedoch kaum möglich, solche Berichte (bzw. die konkret aufgetretenen Umstände) zu prüfen. Für Konsumenten, die plötzlich einen erhöhten Stromverbrauch beobachten, kann es angesichts der Vielzahl der eingesetzten Elektrogeräte ziemlich schwierig sein, die Ursache hierfür zu finden; ein plötzlich falsch laufender Stromzähler dürfte selten die tatsächliche Ursache hierfür sein.

Elektronische Stromzähler

Moderne Energiezähler arbeiten rein elektronisch, d. h. ohne Verwendung elektromechanischer Komponenten wie einer Ferraris-Scheibe und einem mechanischen Zählwerk. Hier wird zunächst die aktuelle Wirkleistung ermittelt, z. B. durch Integration des Produkts von Spannung und Stromstärke über eine Schwingungsperiode, und dann zeitlich integriert – beispielsweise über einen Spannungs-Frequenz-Wandler und ein elektronisches Zählwerk.

Elektronische Zähler müssen heute in der Herstellung nicht teurer sein als Ferraris-Zähler und bieten mehrere wesentliche Vorteile:

• Die Genauigkeit ist meistens höher, insbesondere bei kleinen Leistungen.
• Solche Geräte können mit moderatem Zusatzaufwand weitere Informationen anzeigen, z. B. über den zeitlichen Verlauf der bezogenen Leistung, den Gesamtverbrauch des aktuellen Monats und des Vormonats, oder die aufgetretene Spitzenleistung.
• Manche Modelle bieten die Möglichkeit einer automatischen Fernablesung, etwa über ein Smart Meter Gateway (SMGW). Die Verbrauchssignale werden z. B. über das Stromnetz selbst, über Telefonleitungen, per Internet oder via Mobilfunk übertragen. Dieses Smart Metering kann für die Energieversorgungsunternehmen auch im Zusammenhang mit dem Aufbau eines intelligenten Stromnetzes interessant sein, wobei allerdings unter Umständen für den Verbraucher ein Datenschutz-Problem entsteht.
• Elektronische Zähler machen es relativ einfach, neuartige dynamische Stromtarife einzuführen, bei denen der Kilowattstunden-Preis nicht nur von der Uhrzeit abhängt, sondern von der momentanen Netzbelastung, und unter Umständen nicht nur zwischen zwei oder drei Werten variieren kann. Dies kann zusätzliche Anreize schaffen, um den Spitzenleistungsbedarf zu reduzieren und zukünftig den Strombezug u. U. besser an das schwankende Angebot von Windenergie anzupassen. Beispielsweise kann das Laden eines Elektroautos so zu den für den Netzbetreiber günstigsten Zeiten erfolgen, und dies kann dem Kunden durch einen günstigeren Stromtarif vergolten werden. Solche Möglichkeiten sind auch für Wärmepumpenheizungen interessant. Dafür sollte z. B. die verwendete Ladesäule diese Möglichkeit automatisch berücksichtigen können – idealerweise zusammen mit Vorgaben der Benutzer z. B. dazu, bis wann das Auto voll geladen sein muss.
• Denkbar ist zukünftig auch eine Verbindung mit anderen Geräten der Haustechnik über eine Datenschnittstelle, so dass z. B. gewisse Geräte die optimalen Tarifzeiten ausnutzen und die Benutzer den Strombedarf leichter überwachen können. Verbrauchsdaten könnten entweder direkt mit der Haustechnik oder bei regelmäßiger Fernablesung vom Energieversorger via Internet geliefert werden.

Elektronische Stromzähler mit solchen besonderen Möglichkeiten werden gelegentlich als "intelligente Stromzähler" (engl. smart meters) bezeichnet. In Deutschland spricht man häufig auch von einer "modernen Messeinrichtung". Bei Neubauten wird mittlerweile immer eine solche eingesetzt, aber nicht unbedingt schon in Verbindung mit einem Smart Meter Gateway (SMGW) für die automatische Fernablesung und dynamische Stromtarife.

Smart Meter Gateways müssen so entwickelt und eingesetzt werden, dass diverse Gefahren und Verletzungen des Datenschutzes vermieden werden:

• Die Datenübermittelung muss abhör- und manipulationssicher sein. Beispielsweise möchte man nicht, dass Einbrecherbanden über abgehörte Kommunikation ermitteln können, wer gerade offenbar im Urlaub ist. Außerdem müssen unbedingt Angriffe auf das Stromnetz verhindert werden, z. B. durch unberechtigte Aktivierung vieler Verbraucher zur gleichen Zeit, was zu einer Netzüberlastung führen würde.
• Da die zeitlich aufgelösten Verbrauchsprofile einiges über den Lebensstil der Verbraucher verraten können, muss das Prinzip der Datensparsamkeit berücksichtigt werden (d. h. nicht mehr übermitteln und speichern, als für den Zweck notwendig ist), und die Entwendung und der Missbrauch solcher Daten muss mit einer Reihe von Maßnahmen verhindert werden.

Zweirichtungszähler und Einrichtungszähler

Ein Zweirichtungszähler kann aus dem Netz bezogene und in das Netz eingespeiste Energiemengen getrennt erfassen. Dies ist z. B. nötig, wenn von einer eigenen Photovoltaikanlage des Konsumenten Einspeisungen erfolgen und die Einspeisevergütung anders ist (für neue Anlagen in der Regel geringer) als der Preis für bezogenen Strom. Der Zweirichtungszähler übernimmt dann die Funktionen eines Einspeisezählers und eines Bezugszählers.

Ein technisches Detail ist hierbei wichtig. Es gibt phasenbezogene Zweirichtungszähler, die für jede der drei Drehstrom-Phasen getrennt die Energieflüsse für beide Richtungen erfassen. Dies ist unter Umständen nachteilig für den Betreiber: Es kann nämlich sein, dass eine Photovoltaik-Anlage nur in eine Phase einspeist, der Bezug aber gleichzeitig zumindest zum Teil über andere Phasen erfolgt. Dann wird vom Betreiber für zumindest für einen Teil des Strombezugs der Bezugspreis bezahlt, während er gleichzeitig für eingespeiste Energie nur die niedrigere Einspeisevergütung erhält. Effektiv wird der Eigenverbrauch niedriger angesetzt, als er tatsächlich ist. Diese Situation wird vermieden durch Verwendung eines saldierenden Zweirichtungszählers, der die Summe der Energieflüsse aller drei Phasen ermittelt (wie es sonst auch ein gewöhnlicher Ferraris-Zähler tut) und dann diese Summe je nach Richtung des Energieflusses registriert. Es gibt auch Zähler, die je nach Einstellung phasenbezogen oder saldierend arbeiten. Der saldierende Modus kann auch mit "Ferraris-Modus" gekennzeichnet sein.

Von einem Einrichtungszähler würde man normalerweise erwarten, dass er nur Energieflüsse in einer Richtung registriert. Für diesen Zweck gibt es Einrichtungszähler mit Rücklaufsperre, die jegliche Registrierung von Energieflüssen in der "falschen" Richtung (aber nicht etwa den Stromfluss) unterbindet. (Es gibt Ferraris-Zähler, bei denen die Mechanik das Rückwärtslaufen verhindert, und elektronische Zähler, die konstruktionsgemäß ebenfalls nie rückwärts zählen.) Es gibt jedoch auch Einrichtungszähler ohne Rücklaufsperre, die also bei Energiefluss in der anderen Richtung rückwärts laufen; so verhält sich ein gewöhnlicher Ferraris-Zähler. Technisch gesehen sind das streng genommen gar keine Einrichtungszähler, auch wenn sie vorgesehen sind für die Ermittlung von Energieflüssen nur in einer Richtung. Üblich sind solche Zähler für Haushalte ohne eigene Stromerzeugung. Sie waren früher auch erlaubt für Fälle, in denen hauptsächlich eine Netzeinspeisung erfolgt, ein Strombezug jedoch nur selten und in geringem Umfang.

Produktionszähler und Einspeisezähler; Ermittlung des Eigenverbrauchs

Ein Produktionszähler ist ein Stromzähler, der die von einer Anlage erzeugte Energiemenge erfasst. Bei einer Photovoltaikanlage wird er auch als Solarzähler bezeichnet. Er wird normalerweise eine Rücklaufsperre haben, also den (geringen) Eigenverbrauch des Wechselrichters in Zeiten ohne Produktion nicht berücksichtigen.

Ein Einspeisezähler dagegen erfasst die Energiemenge, die in das öffentliche Stromnetz eingespeist wird, und für diese fällt dann die Einspeisevergütung an. Auch er darf nur den Energiefluss in dieser einen Richtung erfassen. Einspeise- und Bezugszähler sind häufig zu einem Zweirichtungszähler (siehe oben) zusammengefasst.

Die Differenz von Produktion und Einspeisung ist der Eigenverbrauch, d. h. der Anteil des erzeugten Solarstroms, der direkt selbst verbraucht und damit nicht eingespeist wurde. (Er wird zur Verdeutlichung auch als Direktverbrauch bezeichnet; dieser Begriff umfasst allerdings auch den Verbrauch durch andere Parteien ohne Durchleitung durch das öffentliche Netz.) Der gesamte Verbrauch kann höher sein, da ja zu manchen Zeiten Energie aus dem Stromnetz bezogen wird.

Lastgangzähler

Sogenannte Lastgangzähler sind spezielle Stromzähler, die den Lastgang, also den zeitlichen Verlauf der bezogenen Leistung ermitteln können (→ registrierende Leistungsmessung). Typischerweise beträgt die Messperiode eine Viertelstunde: Der Energieverbrauch innerhalb jeweils einer Viertelstunde, dividiert durch die Länge dieses Zeitraums, ergibt die durchschnittliche Leistung innerhalb dieser Messperiode. Diese Leistungsdaten werden an den Verteilungsnetzbetreiber übermittelt, beispielsweise einmal täglich über das Stromnetz (wie auch Rundsteuersignale, nur in umgekehrter Richtung), mit Mobilfunk oder über das Internet.

Lastgangzähler werden bei Großkunden eingesetzt, die entsprechende Stromtarife abhängig vom gemessenen Lastprofil haben. Sie betreiben oft auch ein Lastmanagement, um die bezogene Spitzenleistung zu reduzieren. Für Kleinverbraucher lohnt sich die Lastgangmessung nicht.

Portable Energieverbrauchs-Messgeräte

Es gibt kompakte, preisgünstige und einfach zu handhabende elektronische Energiezähler (siehe Abbildung 3), mit denen sowohl die momentan bezogene Leistung als auch die in einem bestimmten Zeitraum bezogene Energiemenge ermittelt werden kann. Das Gerät wird einfach in eine Steckdose gesteckt und registriert den Verbrauch all der Geräte, die über seine Steckdose angeschlossen sind. (Der Verbrauch von anderen Geräten im Haushalt lässt sich so nicht ermitteln.)

Diese Geräte sind nicht für Abrechnungszwecke gedacht, sondern für die Überwachung einzelner Geräte oder z. B. der Summe der Geräte an einem PC-Arbeitsplatz. Mit ihrer Hilfe kann auch der Standby-Verbrauch von Geräten ermittelt werden, vorausgesetzt dass die Genauigkeit bei niedrigen Leistungen genügend hoch ist – was bei manchen Geräten der Fall ist, bei anderen nicht. Normalerweise sollten die Geräte auch Blindstrom korrekt behandeln, also nur die tatsächliche Wirkleistung berücksichtigen, und auch bei nicht sinusförmigen Strömen die Leistung korrekt anzeigen; jedoch kann man sich gerade bei billigen Geräten nicht darauf verlassen, dass dies so ist.

Anstatt eines solchen Geräts lässt sich manchmal auch ein ausgedienter Haushaltszähler (Ferrariszähler) für solche Zwecke einsetzen – angesichts der begrenzten Genauigkeit jedoch kaum für die Bestimmung von Standby-Verbräuchen, sondern eher beispielsweise für eine Waschmaschine. Übrigens muss hier auf eine genau waagrechte Montage geachtet werden, denn anders als die elektronischen Zähler sind Ferraris-Zähler deutlich lageabhängig.

Siehe auch: Energiemonitor, elektrische Energie, Kilowattstunde, Energieverbrauch, Stromtarif, Stromrechnung, Rundsteuertechnik, registrierende Leistungsmessung, Lastprofil, Eigenverbrauch