Smart Grids: Verbesserung der Widerstandsfähigkeit

KIT-Forscher entwickeln nachhaltige und belastbare Lösungen für die Stromversorgung. Die Anordnung und Gestaltung von Teilnetzen spielen eine wichtige Rolle. Bildnachweis: Elektrizitätswerk Zürich, ewz

Die Robustheit urbaner Infrastrukturen in Krisensituationen hängt vor allem von einer stabilen Stromversorgung ab. Dies ist eine besondere Herausforderung bei der Planung zukünftiger Smart Grids, die ohnehin volatilen Bedingungen ausgesetzt sind. Smart Grids zeichnen sich nicht nur durch das Zusammenspiel vieler Komponenten aus, sie werden zunehmend automatisch gesteuert und sind damit noch anfälliger für Cyberangriffe oder Naturkatastrophen. Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) arbeiten daran, die Netzresilienz gezielt und nachhaltig zu steigern.

„Die zunehmende Kontrolle unserer Stromversorgung durch Informations- und Kommunikationstechnologien führt zu einer größeren Verwundbarkeit“, erklärt Sadeeb Simon Ottenburger, Wissenschaftler am Institut für Nuklear- und Energietechnik (IKET) des KIT. Der Datenaustausch über parallele Informations- und Kommunikationssysteme ist Voraussetzung für eine dezentrale, bedarfsgerechte und wirtschaftlich effiziente Stromversorgung zukünftiger Smart Grids. Durch Manipulation dieser Daten können Hacker bereits heute Bedarfszahlen und andere Werte verändern und so eine vermeintliche Überlastung des Netzes bewirken oder Komponenten abschalten, die Strom einspeisen sollen. “Theoretisch kann alles gehackt werden”, sagt der Experte. Ein Anschlag in der Ukraine im Dezember 2015 zeigt, was das bedeutet. Es führte zu einem totalen Blackout.

Angesichts möglicher Cyberangriffe, aber auch anderer Krisensituationen wie Erdbeben oder Starkregen arbeitet Ottenburger an einer präventiven Strategie, die Risiken bereits in der Planungsphase berücksichtigt und im Energiemanagementsystem umgesetzt werden soll. Diese Strategie soll in Echtzeit funktionieren und das nicht nur bei einem Blackout, sondern auch bei Stromknappheit, sogenannten Brownouts. Die Arbeit des Mathematikers konzentriert sich auf zwei Hebel. Zum einen kann die Gittertopologie so gewählt werden, dass sich Freiheitsgrade ergeben. Es soll auf Microgrids basieren, also vielen kleinen Inseln, die unabhängig voneinander Strom liefern können. Dadurch ist es möglich, kritische Infrastrukturen auf verschiedene Microgrids zu verteilen. Ein solches Teilnetz sicherte beispielsweise nach dem Erdbeben in Fukushima die Stromversorgung eines Universitätskrankenhauses.

Weitere Freiheitsgrade ergeben sich aus der Konfiguration der Energieverteilungskomponenten innerhalb eines Microgrids, also der Erzeuger, Speicher sowie der Informations- und Kommunikationssysteme. Die Topologie eines Smart Grids auf Basis von Microgrids und die Konfiguration dieser einzelnen Grids soll dann als Variable in einem Simulationsmodell verwendet werden. Das Modell wird angewendet, um Blackout-Szenarien für Städte unter sich ändernden Rahmenbedingungen und unter Berücksichtigung der Situation in anderen kritischen Infrastrukturen zu simulieren. „Wir erschließen ein neues Feld der Energieforschung am KIT und wollen mit unserem Modell die Resilienz urbaner Räume stärken“, sagt Ottenburger.

Das Simulationsmodell wird in Zusammenarbeit mit dem Center for Disaster Management and Risk Reduction Technology (CEDIM) auf Basis lokaler Daten aus Karlsruhe entwickelt. Am CEDIM, einer interdisziplinären Forschungseinrichtung des KIT, kooperieren 16 Institute im Bereich Katastrophenmanagement. Sie entwickeln Werkzeuge und Technologien, die dabei helfen, natürliche und vom Menschen verursachte Gefahren zu analysieren, früher zu erkennen und besser zu bewältigen.


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