Elektrizitätszähler

Ferraris-Wechselstromzähler (Hersteller: Siemens-Schuckertwerke)

Geöffneter Ferraris-Zähler

Der Stromzähler (auch Elektro-Zähler) ist ein Messgerät zur Erfassung gelieferter oder genutzter elektrischer Energie.

Die im Haushalt in Deutschland verbreiteten Zähler zur Verbrauchsabrechnung erfassen den im Stromnetz zum Beispiel bei 230 V (entsprechend 400 V zwischen den Phasen) bereitgestellten Wechselstrom (beziehungsweise Drehstrom) sowie die momentan anliegende Spannung. Sie ermitteln daraus durch Multiplikation und Integration nach der Zeit die genutzte Wirkenergie in Kilowattstunden.

Neben den üblichen Haushaltsstromzählern 10(60) A sind für gewerbliche Nutzung (etwa Baustellen, Kirmes) noch Stromzähler 200 A verbreitet.

Der hinter dem Nennstrom in Klammern angegebene Ampere-Wert gibt die Maximal- oder Grenzstromstärke an, die der Zähler dauernd aushalten kann, ohne beschädigt zu werden. Bis zu diesem Stromwert müssen auch die Eichfehlergrenzen eingehalten werden. Der Nennstrom ist vornehmlich für die Eichung relevant, auf diesen Wert beziehen sich die Messpunkte, die beim Eichvorgang geprüft werden.

Größere Ströme in der Industrie werden meist über sogenannte Messwandlerzähler gemessen. Diese Zähler werden zusammen mit Stromwandlern und gegebenenfalls Spannungswandlern installiert. Die Sekundärseite dieser Wandler haben im Allgemeinen 5 A Nennstrom bzw. 58/100 V Nennspannung, für die auch der Zähler ausgelegt ist. Die Wandlerfaktoren werden dann im Zähler oder bei der Abrechnung berücksichtigt.

Einige Zähler können neben der Wirkenergie auch die aktuelle Wirkleistung anzeigen oder auch die Blindenergie in kvarh erfassen.

Manche Zähler speichern Lastprofile oder haben Impulsausgänge zur Weiterverarbeitung der aktuellen Leistungswerte.

Direktmessende Stromzähler werden für die Messung im Bereich bis 200 A und 230/400 V hergestellt, darüber hinaus werden Strom- oder auch Spannungswandler verwendet.

Arten von Stromzählern

Ferraris-Zähler

Drehstromzähler nach dem Ferraris-Prinzip für Haushalte

Weit verbreitet sind die Ferraris-Zähler nach dem Induktionsprinzip, benannt nach dem Italiener Galileo Ferraris. Hierbei wird durch den Ein- oder Mehrphasenwechselstrom sowie die Netzspannung in einem Ferrarisläufer (Aluminiumscheibe, auch Ferrarisscheibe) ein magnetisches Drehfeld induziert, welches in ihr durch Wirbelströme ein Drehmoment erzeugt. Dieses ist proportional zum Vektor-Produkt aus Strom und Spannung bzw. zur Wirkleistung. Die Scheibe läuft in einer aus einem Dauermagnet bestehenden Wirbelstrombremse, die ein geschwindigkeitsproportionales Bremsmoment erzeugt. Die Scheibe, deren Kante als Ausschnitt durch ein Fenster von außen sichtbar ist, hat dadurch eine Drehgeschwindigkeit, welche zur abgenommenen elektrischen Leistung proportional ist.

Mithilfe der am Zähler angebrachten Angabe Umdrehungen pro Kilowattstunde kann man so auch die aktuelle Leistung ermitteln, indem man über einen bestimmten Zeitraum die Umdrehungen zählt.

Mit der Aluminiumscheibe ist meist ein Rollenzählwerk verbunden, so dass der Energiedurchsatz als Zahlenwert in Kilowattstunden (kWh) abgelesen werden kann.

Ferraris-Zähler zählen auch bei hohen Oberwellen- oder Blindstromanteilen der Verbraucher nur den Wirkstromanteil, wenn sie als Wirkverbrauchszähler aufgebaut sind. Es gibt auch Blindverbrauchszähler, welche die induktive bzw. kapazitive Arbeit zählen. Diese sind jedoch technisch geringfügig anders aufgebaut.

Doppel- und Mehrtarifstromzähler

Zweitarifzähler mit integriertem Rundsteuerempfänger

Weiterhin gibt es Stromzähler mit zwei und mehr Zählwerken, um unterschiedliche Tarife abrechnen zu können. Zwischen diesen Zählwerken wird durch eingebaute oder externe Rundsteuerempfänger (die durch zentrale Rundsteueranlagen im Energieversorgungsunternehmen gesteuert werden) oder durch Tarifschaltuhren entsprechend umgeschaltet. Bei Tarifkunden in Deutschland, zum Beispiel privaten Haushalten, wird die Ausführung mit zwei Tarifzählwerken eingesetzt. Dies geschieht hauptsächlich, um in den so genannten Schwachlastphasen, meist nachmittags und in der Nacht, für elektrische betriebene Wärmespeicherheizungen die Energie preisvergünstigt anbieten zu können. Bei Sondervertragskunden (Industrie) sind weitere Zählwerke, auch für die Leistungserfassung, gebräuchlich. Jedoch wird hier nach und nach auf elektronische Zähler mit einer Aufzeichnung des Lastgangs umgestellt. Somit kann die Tarifierung ohne Eingriff in den Zähler verändert werden, es werden im Zähler keine getrennten Zählwerke mehr benötigt. Bei diesen Zählern ist zu beachten, dass die Anzeige für die HT- und NT-Tarife eventuell anders angeordnet sind (HT-Anzeige oben und NT-Anzeige unten).

Elektronische Energiezähler

Die seit einigen Jahren neu entwickelten elektronischen Energiezähler enthalten keine mechanischen Elemente. Der Strom wird durch andere Prinzipien wie zum Beispiel den Stromwandler mit einem weichmagnetischen Ringkern (beziehungsweise einem Strommesssystemen mit Rogowskispulen) mittels Nebenschlusswiderstand (Shunt) oder Hallelementen erfasst. Die Berechnung der Energie erfolgt mit einer elektronischen Schaltung. Das Ergebnis wird einer alphanumerischen Anzeige (meist Flüssigkristallanzeige, LCD) zugeführt. Nachdem die neue Zählergeneration schon länger für Industrieanwendungen eingesetzt wird, finden sie seit einigen Jahren auch Einzug in die Haushalte. Die Verbreitung dort ist länderspezifisch sehr unterschiedlich. Beispielsweise liegt die Verbreitung in Deutschland unter 10 %, während in Schweden über 90 % der Haushalte umgestellt sind.

Elektronischer Energiezähler mit Fernauslesung

Fernablesbarer Haushalts-Stromzähler

Manche elektronischen Zähler können über Datenschnittstellen per Fernauslesung vom Energieversorgungsunternehmen und der Gebäudeautomation ausgelesen werden. Nach der Änderung des Energiewirtschaftgesetztes EnWG und der neuen Messstellenzugangsverordnung (beide in Kraft getreten im September 2008) besteht ab 1. Januar 2010 die Pflicht, bei Neubauten und Modernisierungen sogenannte Smart Meter zu verwenden (vgl. [EnWG]). Seit Anfang 2006 finden auch Feldversuche mit ständigen Verbindungen über Internet (DSL) statt. In Deutschland werden intelligente Zähler zunehmend im Rahmen von Pilotprojekten zur Einführung der Smart-Metering-Technologie eingesetzt, seit Ende 2008 bieten die ersten Energieversorger Geräte für den Endverbraucher an - diese werden meist über vorhandene DSL-Anschlüsse angebunden.

In Italien werden seit 2000 alle Zähler, auch im Haushaltsbereich, auf per PLC (Powerline Communication) auslesbare Zähler umgestellt. In den USA wurden elektronische Haushaltszähler mit einem integrierten Relais entwickelt, die dem Energieversorger neben der Fernauslesbarkeit das ferngesteuerte Abschalten ermöglichen, beispielsweise bei ausstehender Zahlung der Rechnung.

Als Datenschnittstellen sind Infrarot, S0-Schnittstelle, M-Bus, Potentialfreier Kontakt, EIB/KNX, 20 mA (verbunden mit GSM-, PSTN-Modems) oder Power Line Carrier (PLC) gebräuchlich. Die Impulsausgänge (S0) liefern in der Regel eine Impulswertigkeit von 2.000 bis 5.000 Impulsen pro kWh. Dieser Wert muss dann abhängig vom Zähler mit einem festen Faktor von zum Beispiel 30 oder 50 multipliziert werden, um den kumulierten Messwert zu bekommen.

Kassier-, Münz-, Prepaymentzähler

Kassierstromzähler

In einigen Ländern gibt es auch Kassierzähler (Münzzähler), welche durch den Einwurf von Geld, Jetons oder neuerdings, bei Prepaymentzählern, durch Chipkarten, Chipschlüssel oder Eingabe einer PIN den Abruf einer definierten Menge elektrischer Energie ermöglichen. In Deutschland werden solche Zähler in Waschküchen von Mietshäusern und vereinzelt auch von Energieversorgungsunternehmen bei Kunden mit schlechter Zahlungsmoral eingesetzt. Diese Prepaymentzähler werden nicht nur bei Kunden mit schlechter Zahlungsmoral eingesetzt, sondern auch oftmals bereits im Vorab, damit der Kunde gar nicht erst Schulden aufbauen kann. Prepaymentzähler mit Chipkarten sind in Südafrika weit verbreitet.

Lastgangzähler

Lastgangzähler

Bei Großkunden wird der Stromverbrauch nicht nur anhand der genutzten Energie (in kWh bzw. kvarh), sondern zusätzlich oder nur nach der genutzten Energie jeder Registrierperiode verrechnet. Hierfür werden Lastgangzähler installiert, die nach jeder Registrierperiode einen Messwert speichert. Die Registrierperiode ist in Deutschland auf 15 Minuten festgelegt. Der gespeicherte Messwert kann die

• durchschnittlich genutzte Leistung in kW bzw. kVA
• Zählwerksstand in kWh bzw. kvarh
• Energieverbrauch in kWh bzw. kvarh

der letzten Registrierperiode sein.

In einem Lastgangzähler können mehrere Lastgänge gleichzeitig erfasst und gespeichert werden. Typischerweise werden diese Zähler per Fernablesung ausgelesen.

Für kleinere Kunden wird der Lastgang anhand eines Standardlastprofils (z. B. H0 für Haushaltskunden) nachgebildet.

Energiekostenmessgerät

Energiekostenmessgerät

Mit Energiekostenmessgeräten kann der Stromverbrauch einzelner Geräte gemessen werden, auch über einen längeren Zeitraum. Dies ist bei Geräten wie Kühlschränken sinnvoll, die keinen gleichmäßigen Stromverbrauch haben. Meist kann man den Preis pro kWh eingeben und sieht dann die Kosten, die ein Gerät verursacht. Beim Kauf eines Messgerätes ist es wichtig auf die Messgrenze und die Genauigkeit zu achten. Viele der vermeintlich preiswerten Geräte sind oft sehr ungenau und können kleinere Leistungsaufnahmen z. B. unterhalb von 4 Watt sowie hohe Blindanteile und Crestfaktoren nicht exakt verarbeiten. Für private Verbraucher ist es oft möglich, Energiekostenmessgeräte kostenlos bei den Stromversorgern oder Verbraucherzentralen auszuleihen. So kann die Anschaffung eines meist nur vorübergehend zum Aufspüren von Ressourcen zum Energiesparen genutzten Gerätes vermieden werden.

Gleichstromzähler/STIA-Zähler

Gleichstromzähler haben aufgrund der flächendeckenden Versorgung aller Länder mit Wechselstromnetzen keine größere Bedeutung.

Historischer Gleichstromzähler

Altertümliche Gleichstromzähler arbeiteten nach ähnlichem Prinzip wie die oben beschriebenen Ferrariszähler, jedoch wurde das leistungsproportionale Drehmoment mit einem Gleichstrommotor erzeugt, dessen Erregung durch eine vom Laststrom durchflossene Spule erzeugt wurde und dessen Ankerstrom über einen Vorwiderstand aus der Netzspannung gewonnen wurde.

Heutiges Einsatzgebiet von Gleichstromzählern ist beispielsweise die Straßenbahn-Stromversorgung.

Ein Bauelement, das als echter Stromzähler bezeichnet werden kann, wird zuweilen als Betriebsstundenzähler eingesetzt: es besteht aus einer mit einem Elektrolyt abgeschlossenen Quecksilbersäule ähnlich einem kleinen Thermometer. Bei Stromdurchfluss wird das Quecksilber an das gegenüberliegende Ende befördert, wodurch der Bereich des Elektrolyten durch die Säule wandert. Das Strom–Zeit–Produkt erscheint linear als vom Elektrolytvolumen zurückgelegte Strecke auf dem als Behälter dienenden Glasröhrchen. Wird das Bauteil über einen Vorwiderstand an konstanter Spannung betrieben, lässt sich die Betriebszeit ermitteln. Nach Ablauf der Zeit kann das Gerät umgepolt erneut eingesetzt werden - der Bereich des Elektrolyten wandert nun zurück.

Beim Quecksilberelektrolytzähler, auch STIA-Zähler (mercury electricity meter) oder Edisonzähler genannt, wurde nicht der (feste) Niederschlag gemessen sondern die Zersetzungsprodukte – Quecksilber und Wasserstoff. Er war nach Erlöschen der Patente von Edisons Elektrolytzähler dessen Weiterentwicklung. Das Quecksilber fiel beim Stromdurchgang in ein Glasrohr. Dieses war über einer Skala installiert, welche die Kilowattstunden darstellte. Nachteil dieser Technik war, dass nach einer gewissen Zeit das Glasröhrchen vollständig gefüllt war und keine weitere Zählung möglich war. Deshalb musste der Zähler in relativ kurzen Zeitabständen abgelesen und danach das Messrohr gekippt werden, um einen erneuten Zählerlauf zu ermöglichen. Die vor allem bei Kleinverbrauchern verwendeten Stia-Zähler (Bezeichnung Stia = Schott Jena; Erfinder: Max Grossmann, Jena, 1922) arbeiteten mit einer Quecksilberanode, zwischen Anode und Kathode befand sich eine poröse Scheidwand. Viele alte Zähler weisen auf den Beschriftungen die Bezeichnung Unter–Stia auf. Dies bedeutet, dass diese Zähler als Unterzähler in einer größeren elektrische Anlage (z.B. Mehrfamilienhaus) fungierten. Wasserstoffzähler funktionierten ähnlich. Bei ihnen wurde der an der Kathode entstehende Wasserstoff aufgefangen und dann der Verbrauch ebenfalls an einer Skale abgelesen. Elektrolytzähler hatten eine hohe Messgenauigkeit (± 1 %) und waren relativ einfach. Daher stellten sie für die Erfassung von kleinen Stromverbrauchsmengen eine Alternative zu den Motorzählern dar. Mit der Umstellung auf Wechselstrom ging die Zeit der Elektrolytzähler zu Ende.

Normen

Die in Europa gültigen Normen für elektronische Energiezähler sind: IEC 62053-21 bis -23. Für die Datenschnittstellen werden IEC62056-21 sowie IEC62056-42 -46 -53 (DLMS) und IEC870 genutzt.

Genauigkeit

Verkehrsfehlergrenzen

Die Genauigkeit, genannt Verkehrsfehlergrenzen, der Zähler liegt im Haushaltsbereich bei ± 2 %. Bei hoher zu zählender elektrischer Arbeit sind auch Zähler der Genauigkeitsklassen 1, 0,5 und 0,2 (meist in Verbindung mit Messwandlern) im Einsatz. Höchste Anforderungen bestehen zum Beispiel an der Übergabestelle vom Kraftwerk ins Netz oder zwischen Übertragungsnetzen. Die Genauigkeitsklasse ist auf den Zählern hin und wieder angegeben. Diese Angabe kann so aussehen: etwa ein Kreis, in dem sich eine Zahl befindet oder Kl. 2 oder (1), wobei die Zahl immer die Verkehrsfehlergrenze in Prozent angibt. Aus speziellen Legierungen aufgebaute Ringbandkerne ermöglichen seit kurzem hochpräzise elektronische Energiezähler in gleichstromtoleranter Ausführung.

Eichung

Stromzähler, die im geschäftlichen Verkehr eingesetzt werden, unterliegen in Deutschland der Eichpflicht. Nach Ablauf der Eichgültigkeitsdauer (16 Jahre beziehungsweise 8 Jahre bei elektronischen Zählern, 12 Jahre für mechanische Messwandlerzähler mit Induktionswerk [mit Läuferscheibe]) muss das Messgerät ausgetauscht oder die Eichgültigkeit verlängert werden. Ausnahmen sind möglich. Ein übliches Verfahren zur Verlängerung der Eichgültigkeit ist die Stichprobenprüfung.

Die Eichung wird bei (staatlich anerkannten) Prüfstellen durchgeführt. Viele Netzbetreiber und Hersteller unterhalten eigene Prüfstellen. Es gibt jedoch auch Firmen, die sich auf die Eichung spezialisiert haben. Als Staatsbehörde für die Eichung zuständig ist in Deutschland die PTB in Braunschweig.

Die Europäische Messgeräterichtlinie (MID) regelt seit 30. Oktober 2006 das Inverkehrbringen verschiedener neuer für den Endnutzer bestimmter Messgeräte in Europa – unter anderen eben auch der Wirk-Stromzähler. Sie regelt nicht die Eichpflicht und die Anforderungen nach dem Inverkehrbringen bzw. der Inbetriebnahme. Dies bleibt nationalem Recht vorbehalten. Allerdings müssen sich die Mitgliedstaaten vor der Kommission und den anderen Mitgliedstaaten rechtfertigen, wenn sie dies nicht regeln. MID-konforme Messgeräte müssen vor der ersten Inbetriebnahme nicht mehr geeicht werden.

Die MID-Anforderungen ersetzen derzeit viele gültigen nationalen Anforderungen für geeichte Zähler (zum Beispiel in Deutschland, Österreich und skandinavischen Ländern). Sie sind überwiegend identisch mit der PTB-Zulassung in Deutschland, teilweise etwas höher. Für frühere Zulassungen (etwa PTB) gilt eine Übergangsfrist bis 30. Oktober 2016. Alle am 30. Oktober 2006 auf dem Markt befindlichen Zähler mit PTB-Zulassung können also bis 30. Oktober 2016 weiterhin in Verkehr gebracht werden. Nur neu eingeführte Messgeräte müssen der MID entsprechen. Die entsprechende Prüfung wird in Deutschland übrigens ausschließlich von der PTB durchgeführt, kann jedoch in jedem Mitgliedstaat beantragt werden und muss dann in jedem Mitgliedstaat anerkannt werden.

Bei Stromzählern gilt die MID nur für Wirkstromzähler. Hieraus ergibt sich eine Problematik für Zähler, die sowohl Wirk- als auch Blindleistung messen: Für den Geräteteil der Wirkmessung ist eine MID-Konformitätserklärung erforderlich, eine Ersteichung darf nicht mehr vorgeschrieben werden, der Teil für die Blindmessung muss herkömmlich nach dem jeweiligen Eichrecht zugelassen bzw. geeicht werden.

Haushaltsstromzähler in Schwellenländern

Bevölkerungsreiche Länder wie China und Indien sind seit Jahren sehr engagiert dabei, Haushaltsstromzähler flächendeckend einzuführen. Hierbei wird der Einbau elektronischer Zähler mit Zahlsystemen auf Chipkartenbasis favorisiert.

Stromzähler im Außenbereich (mit Glashaube) Kanada

Stromzähler jeweils für eine abschließbare Steckdose

Montage

In vielen Ländern (USA, Skandinavien, China) sind Haushaltsstromzähler häufig außerhalb des Hauses angebracht. In Deutschland sind die Systeme meist im Haus installiert.

Bei Ein- und Zweifamilienhäusern wahlweise in einem frei zugänglichen Raum innerhalb des Gebäudes oder in einem speziellen Hausanschlussraum. Bei Mehrfamilienhäusern ist dieser vorgeschrieben.

Bei Einfamilienhäusern befinden sich oft im Zählerschrank die Sicherungen für die einzelnen Räume und Geräte. Für Mehrfamilienhäuser ist es üblich, sie in Unterverteilungen in der jeweiligen Wohneinheit unterzubringen.

Siehe auch

• Dezentrale Stromerzeugung
• Intelligentes Stromnetz
• Intelligenter Zähler

Weblinks

• Peter Sonntag: Spannend wie ein Krimi - Messung und Verrechnung elektrischer Arbeit
• Smart Meter im Piloteinsatz bei einem Energieversorger in Deutschland