Resilienz: Das Sicherheitskonzept der Zukunft

So bleiben Energiesysteme auch in Krisen funktionsfähig

Das Energiesystem wird immer vernetzter, digitaler und dezentraler. Das macht es flexibler, aber auch verwundbarer. Risiken wie Hackerangriffe, Wetterextreme und Rohstoffengpässe könnten die Versorgung gefährden.

Eine ESYS-Arbeitsgruppe hat untersucht, wie das System auch bei Störfällen funktionsfähig bleibt und aus Krisen lernen kann. 

Ergebnisse im Überblick

Was Resilienz nützt


Digital vernetzte Infrastrukturen sind verwundbar – auch moderne, digital gesteuerte Energiesysteme. Der weltweite Cyberangriff im Mai 2017 hat gezeigt, was passieren kann, wenn Hacker eine Sicherheitslücke im Betriebssystem finden: Mit einer Schadsoftware wurden mindestens 200.000 Computersysteme in 150 Ländern lahmgelegt, um Lösegeld zu erpressen. Gelänge es Kriminellen oder Terroristen, eine kritische Infrastruktur wie die Energieversorgung zu manipulieren, wäre der Schaden für Wirtschaft und Gesellschaft enorm. Festnetz- und Mobiltelefone fielen aus, Züge könnten nicht mehr fahren, Krankenhäuser, Arztpraxen und Apotheken würden geschlossen, Lebensmittel könnten knapp werden.

Auch Schneestürme, Überschwemmungen oder Hitzewellen in Folge des Klimawandels können folgenreiche Stromausfälle verursachen. Um solche Gefahren bewältigen zu können, muss das Energiesystem widerstandfähig und flexibel sein. Wesentliche Funktionen müssen jederzeit aufrechterhalten bleiben oder zumindest schnell wiederhergestellt werden können. Im besten Fall ist das Energiesystem so lernfähig, dass es nach einem Zwischenfall besser auf künftige Störungen vorbereitet ist. Kurz gesagt: Das Energiesystem sollte möglichst resilient sein.

Um Risiken und Schwachstellen rechtzeitig zu erkennen, ist ein flächendeckendes, systematisches Monitoring für das Energiesystem erforderlich. Methoden und Kriterien müssen dafür jedoch erst noch entwickelt werden.

Neue Risiken


Der Klimawandel, aber auch der Umbau der Energieversorgung selbst bergen neue Risiken für die Energieversorgungssicherheit.

  • Ende 2015 ist es Hackern gelungen,  mehrere ukrainische Umspannwerke vom Netz zu trennen. Denkbar sind auch Terroranschläge auf die Energieinfrastruktur wie im Februar 2014, als Separatisten drei wichtige Erdgasleitungen in Pakistan sprengten und Millionen Menschen über einen Tag ohne Gas auskommen mussten.
  • Experten erwarten, dass Wetterextreme infolge des Klimawandels künftig häufiger auftreten werden. In den vergangenen Jahren richteten Überschwemmungen auch in Deutschland immer wieder großflächige Schäden an, und während des „Münsterländer Schneechaos‘“ im November 2005 fehlte rund 250.000 Haushalten tagelang der Strom. Während langanhaltender Hitzewellen wiederum laufen Kühlsysteme auf Hochtouren. Überhitzen Flüsse, sodass ihr Wasser nicht mehr zum Kühlen von Kraftwerksturbinen verwendet werden kann und sind Photovoltaikzellen weniger leistungsfähig, kann der Strom knapp werden.
  • 2010 drosselte China den Export der Seltenen Erden. Anschließend stiegen die Preise stark an und es kam zu Lieferengpässen. Weil diese und weitere Metalle für Erneuerbare-Energieanlagen, Speicher und Netze unverzichtbar sind, geriete die Energiewende dadurch ins Stocken.
  • Schon in den 90er Jahren zeigte die „kalifornische Energiekrise“, wie politische Entscheidungen die Versorgungssicherheit gefährden können: Im Zuge der Deregulierung des Strommarkts mussten die Energieversorger in Kalifornien viele Kraftwerke verkaufen. Um ihre Gewinne zu steigern, verknappten viele Erzeuger das Energieangebot künstlich, indem sie Kraftwerke abschalteten. Als Folge kam es zu großflächigen Stromausfällen und einem Wirtschaftsschaden von mehr als 40 Milliarden US-Dollar.
  • Die Energiewende gelingt nur, wenn sie von der Bevölkerung unterstützt wird. Fühlen sich Bürgerinnen und Bürger benachteiligt oder lehnen sie neue Technologien ab, kann es sein, dass sie gegen energiepolitische Entscheidungen vorgehen. Beispiele sind Proteste gegen den Bau neuer Windparks oder Stromtrassen, wie derzeit bei der Planung der Stromautobahn SuedLink.

Resilienzstrategie


Regierungen, Behörden und Unternehmen sind gleichermaßen gefordert, langfristige Resilienzstrategien für die Energieversorgung zu entwickeln.

Resiliente Infrastrukturen


  • Vielfältige Erzeugungstechnologien machen das Energiesystem robuster gegen die Auswirkungen von Wetterextremen. Denn Windräder sind beispielsweise nicht von Hitzewellen betroffen, während Gaskraftwerke Strom auch in wind- und sonnenarmen Zeiten liefern können.
  • Werden mehr Leitungen, Generatoren oder Transformatoren installiert als für den Normalbetrieb notwendig sind (Überinstallation), kann die Versorgung immer noch aufrechterhalten werden, wenn einzelne Elemente ausfallen.
  • Auch Doppelstrukturen können Versorgungsausfälle abfedern, zum Beispiel indem Erdkabel und Freileitungen parallel genutzt werden. Ein weiterer Vorteil: Erdkabel sind besser geschützt vor Extremwetter und Anschlägen. Da solche Maßnahmen jedoch sehr teuer sind, müssen Kosten und Nutzen gegeneinander abgewogen werden. In jedem Fall sollten unverplante Ressourcen für Engpässe vorgehalten werden. Das gilt für technische Anlagen wie Reservekraftwerke, aber auch für Einsatzteams wie Reparaturtrupps.
  • Wird das Energiesystem als Summe vernetzter, aber für sich funktionsfähiger Teile angelegt, können sich Blackouts nicht so stark ausbreiten. Regionale, zellförmige Stromnetze zum Beispiel versorgen sich selbst und ergänzen und entlasten daher das Übertragungsnetz. In Pilotprojekten wird getestet, wie sie bei Störungen die Versorgung als „Inselnetz“ aufrechterhalten können.
  • Heute können nur räumliche Einheiten (Straßenzüge, Stadtteile etc.) vom Netz gentrennt werden. Würden die Verteilnetze so umgebaut, dass sich die Stromnachfrage nach Relevanz drosseln ließe, könnten im Krisenfall Straßenlaternen oder Leuchtreklamen abgeschaltet werden, während Krankenhäuser, Polizei und Feuerwehr weiter mit Strom versorgt werden.

Cyberangriffe


  • Werden Netze und andere Infrastrukturen mit unterschiedlicher Software gesteuert, können Cyberattacken nicht so leicht auf andere Systeme übergreifen. Schließlich werden die meisten Viren und Trojaner speziell für die Programme mit dem jeweils höchsten Marktanteil geschrieben.
  • Die Informationstechnik sollte auch möglichst redundant gestaltet werden: GPS-Daten, die für das Zusammenschalten von Netzen verwendet werden, können doppelt und auf unterschiedlichen Wegen übertragen werden, zum Beispiel per Funkkanal und per Telefonleitung. Dadurch könnten auch Manipulationen durch Hacker erkannt werden.

Rohstoffengpässe


  • Da Deutschland Metalle aus zum Teil unsicheren und/oder unzuverlässigen Lieferländern importieren muss, sollte die Rohstoffeffizienz auch bei den Komponenten der Energieinfrastruktur vorangetrieben werden. Ein weiterer Ansatz besteht darin, kritische Metalle durch andere Rohstoffe zu ersetzen. Geeignete Substitutionsmöglichkeiten müssen daher weiter erforscht werden.
  • Außerdem gilt es, die Wiedergewinnungsraten beim Recycling kritischer Metalle wie den Seltenen Erden zu erhöhen. Die gesamte Recycling-Prozesskette bietet hier noch viel Potenzial, zum Beispiel: Labels für recyclingfähige Produktdesigns, verbraucherfreundlichere Sammelsysteme, europaweit einheitliche Recyclingvorschriften oder ein effektiveres Vorgehen gegen illegale Schrottexporte.

Mehr Informationen zum Thema „Metalle für die Energiewende“

Energiepolitik und Akzeptanz


  • Information und Aufklärung können die Bevölkerung auf den Notfall vorbereiten. Ein Beispiel ist das Konzept für Zivile Verteidigung des Bundesinnenministeriums. Es beinhaltet Richtlinien, um die Bevölkerung im Katastrophenfall zu schützen und mit Energie, Wasser, Telekommunikation und Nahrungsmitteln versorgen zu können. Sinnvoll wäre es auch, entsprechende Unterrichtsmaterialien in Schulen einzusetzen.
  • Eine frühzeitige Beteiligung von Bürgerinnen und Bürger an der Planung von Energieinfrastrukturen und Bauprojekten und eine faire Lastenverteilung tragen zum Erhalt der gesellschaftlichen Akzeptanz der Energiewende bei und helfen, Proteste zu verhindern.
  • Da Investitionen in die Energieinfrastruktur immer langfristig angelegt sind, brauchen potenzielle Investoren Planungssicherheit im Hinblick auf Gesetzgebung und Rahmenbedingungen. Es bedarf daher einer vorausschauenden und stringenten Governance. Häufige energiepolitische Richtungswechsel sowie konfligierende Entscheidungen auf regionaler, nationaler und europäischer Ebene dagegen können den Infrastrukturausbau hemmen.

Was Resilienz nützt

Digital vernetzte Infrastrukturen sind verwundbar – auch moderne, digital gesteuerte Energiesysteme. Der weltweite Cyberangriff im Mai 2017 hat gezeigt, was passieren kann, wenn Hacker eine Sicherheitslücke im Betriebssystem finden: Mit einer Schadsoftware wurden mindestens 200.000 Computersysteme in 150 Ländern lahmgelegt, um Lösegeld zu erpressen. Gelänge es Kriminellen oder Terroristen, eine kritische Infrastruktur wie die Energieversorgung zu manipulieren, wäre der Schaden für Wirtschaft und Gesellschaft enorm. Festnetz- und Mobiltelefone fielen aus, Züge könnten nicht mehr fahren, Krankenhäuser, Arztpraxen und Apotheken würden geschlossen, Lebensmittel könnten knapp werden.

Auch Schneestürme, Überschwemmungen oder Hitzewellen in Folge des Klimawandels können folgenreiche Stromausfälle verursachen. Um solche Gefahren bewältigen zu können, muss das Energiesystem widerstandfähig und flexibel sein. Wesentliche Funktionen müssen jederzeit aufrechterhalten bleiben oder zumindest schnell wiederhergestellt werden können. Im besten Fall ist das Energiesystem so lernfähig, dass es nach einem Zwischenfall besser auf künftige Störungen vorbereitet ist. Kurz gesagt: Das Energiesystem sollte möglichst resilient sein.

Um Risiken und Schwachstellen rechtzeitig zu erkennen, ist ein flächendeckendes, systematisches Monitoring für das Energiesystem erforderlich. Methoden und Kriterien müssen dafür jedoch erst noch entwickelt werden.

Neue Risiken

Der Klimawandel, aber auch der Umbau der Energieversorgung selbst bergen neue Risiken für die Energieversorgungssicherheit.

  • Ende 2015 ist es Hackern gelungen,  mehrere ukrainische Umspannwerke vom Netz zu trennen. Denkbar sind auch Terroranschläge auf die Energieinfrastruktur wie im Februar 2014, als Separatisten drei wichtige Erdgasleitungen in Pakistan sprengten und Millionen Menschen über einen Tag ohne Gas auskommen mussten.
  • Experten erwarten, dass Wetterextreme infolge des Klimawandels künftig häufiger auftreten werden. In den vergangenen Jahren richteten Überschwemmungen auch in Deutschland immer wieder großflächige Schäden an, und während des „Münsterländer Schneechaos‘“ im November 2005 fehlte rund 250.000 Haushalten tagelang der Strom. Während langanhaltender Hitzewellen wiederum laufen Kühlsysteme auf Hochtouren. Überhitzen Flüsse, sodass ihr Wasser nicht mehr zum Kühlen von Kraftwerksturbinen verwendet werden kann und sind Photovoltaikzellen weniger leistungsfähig, kann der Strom knapp werden.
  • 2010 drosselte China den Export der Seltenen Erden. Anschließend stiegen die Preise stark an und es kam zu Lieferengpässen. Weil diese und weitere Metalle für Erneuerbare-Energieanlagen, Speicher und Netze unverzichtbar sind, geriete die Energiewende dadurch ins Stocken.
  • Schon in den 90er Jahren zeigte die „kalifornische Energiekrise“, wie politische Entscheidungen die Versorgungssicherheit gefährden können: Im Zuge der Deregulierung des Strommarkts mussten die Energieversorger in Kalifornien viele Kraftwerke verkaufen. Um ihre Gewinne zu steigern, verknappten viele Erzeuger das Energieangebot künstlich, indem sie Kraftwerke abschalteten. Als Folge kam es zu großflächigen Stromausfällen und einem Wirtschaftsschaden von mehr als 40 Milliarden US-Dollar.
  • Die Energiewende gelingt nur, wenn sie von der Bevölkerung unterstützt wird. Fühlen sich Bürgerinnen und Bürger benachteiligt oder lehnen sie neue Technologien ab, kann es sein, dass sie gegen energiepolitische Entscheidungen vorgehen. Beispiele sind Proteste gegen den Bau neuer Windparks oder Stromtrassen, wie derzeit bei der Planung der Stromautobahn SuedLink.

Resilienzstrategie

Regierungen, Behörden und Unternehmen sind gleichermaßen gefordert, langfristige Resilienzstrategien für die Energieversorgung zu entwickeln.

Resiliente Infrastrukturen

  • Vielfältige Erzeugungstechnologien machen das Energiesystem robuster gegen die Auswirkungen von Wetterextremen. Denn Windräder sind beispielsweise nicht von Hitzewellen betroffen, während Gaskraftwerke Strom auch in wind- und sonnenarmen Zeiten liefern können.
  • Werden mehr Leitungen, Generatoren oder Transformatoren installiert als für den Normalbetrieb notwendig sind (Überinstallation), kann die Versorgung immer noch aufrechterhalten werden, wenn einzelne Elemente ausfallen.
  • Auch Doppelstrukturen können Versorgungsausfälle abfedern, zum Beispiel indem Erdkabel und Freileitungen parallel genutzt werden. Ein weiterer Vorteil: Erdkabel sind besser geschützt vor Extremwetter und Anschlägen. Da solche Maßnahmen jedoch sehr teuer sind, müssen Kosten und Nutzen gegeneinander abgewogen werden. In jedem Fall sollten unverplante Ressourcen für Engpässe vorgehalten werden. Das gilt für technische Anlagen wie Reservekraftwerke, aber auch für Einsatzteams wie Reparaturtrupps.
  • Wird das Energiesystem als Summe vernetzter, aber für sich funktionsfähiger Teile angelegt, können sich Blackouts nicht so stark ausbreiten. Regionale, zellförmige Stromnetze zum Beispiel versorgen sich selbst und ergänzen und entlasten daher das Übertragungsnetz. In Pilotprojekten wird getestet, wie sie bei Störungen die Versorgung als „Inselnetz“ aufrechterhalten können.
  • Heute können nur räumliche Einheiten (Straßenzüge, Stadtteile etc.) vom Netz gentrennt werden. Würden die Verteilnetze so umgebaut, dass sich die Stromnachfrage nach Relevanz drosseln ließe, könnten im Krisenfall Straßenlaternen oder Leuchtreklamen abgeschaltet werden, während Krankenhäuser, Polizei und Feuerwehr weiter mit Strom versorgt werden.

Cyberangriffe

  • Werden Netze und andere Infrastrukturen mit unterschiedlicher Software gesteuert, können Cyberattacken nicht so leicht auf andere Systeme übergreifen. Schließlich werden die meisten Viren und Trojaner speziell für die Programme mit dem jeweils höchsten Marktanteil geschrieben.
  • Die Informationstechnik sollte auch möglichst redundant gestaltet werden: GPS-Daten, die für das Zusammenschalten von Netzen verwendet werden, können doppelt und auf unterschiedlichen Wegen übertragen werden, zum Beispiel per Funkkanal und per Telefonleitung. Dadurch könnten auch Manipulationen durch Hacker erkannt werden.

Rohstoffengpässe

  • Da Deutschland Metalle aus zum Teil unsicheren und/oder unzuverlässigen Lieferländern importieren muss, sollte die Rohstoffeffizienz auch bei den Komponenten der Energieinfrastruktur vorangetrieben werden. Ein weiterer Ansatz besteht darin, kritische Metalle durch andere Rohstoffe zu ersetzen. Geeignete Substitutionsmöglichkeiten müssen daher weiter erforscht werden.
  • Außerdem gilt es, die Wiedergewinnungsraten beim Recycling kritischer Metalle wie den Seltenen Erden zu erhöhen. Die gesamte Recycling-Prozesskette bietet hier noch viel Potenzial, zum Beispiel: Labels für recyclingfähige Produktdesigns, verbraucherfreundlichere Sammelsysteme, europaweit einheitliche Recyclingvorschriften oder ein effektiveres Vorgehen gegen illegale Schrottexporte.

Mehr Informationen zum Thema „Metalle für die Energiewende“

Energiepolitik und Akzeptanz

  • Information und Aufklärung können die Bevölkerung auf den Notfall vorbereiten. Ein Beispiel ist das Konzept für Zivile Verteidigung des Bundesinnenministeriums. Es beinhaltet Richtlinien, um die Bevölkerung im Katastrophenfall zu schützen und mit Energie, Wasser, Telekommunikation und Nahrungsmitteln versorgen zu können. Sinnvoll wäre es auch, entsprechende Unterrichtsmaterialien in Schulen einzusetzen.
  • Eine frühzeitige Beteiligung von Bürgerinnen und Bürger an der Planung von Energieinfrastrukturen und Bauprojekten und eine faire Lastenverteilung tragen zum Erhalt der gesellschaftlichen Akzeptanz der Energiewende bei und helfen, Proteste zu verhindern.
  • Da Investitionen in die Energieinfrastruktur immer langfristig angelegt sind, brauchen potenzielle Investoren Planungssicherheit im Hinblick auf Gesetzgebung und Rahmenbedingungen. Es bedarf daher einer vorausschauenden und stringenten Governance. Häufige energiepolitische Richtungswechsel sowie konfligierende Entscheidungen auf regionaler, nationaler und europäischer Ebene dagegen können den Infrastrukturausbau hemmen.

AG-Leiter

Publikationen

Stellungnahme

Das Energiesystem resilient gestalten: Maßnahmen für eine gesicherte Versorgung

Wie kann das künftige Energiesystem möglichst resilient gestaltet werden, damit die Versorgung auch im Krisenfall gewährleistet bleibt? Eine ESYS-Arbeitsgruppe hat in der Stellungnahme verschiedene Maßnahmentypen herausgearbeitet.

Analyse

Das Energiesystem resilient gestalten: Szenarien – Handlungsspielräume – Zielkonflikte

In Szenarien werden mögliche Belastungen für die Energieversorgung und die Energiewende skizziert. Daran anknüpfend zeigen die Autoren Handlungsspielräume auf, um das Energiesystem frühzeitig gegen Risiken zu wappnen.