VDE-Positionspapier. Energieinformationsnetze und -systeme. Bestandsaufnahme und Entwicklungstendenzen

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1 VDE-Positionspapier Energieinformationsnetze und -systeme Bestandsaufnahme und Entwicklungstendenzen

2 Autoren Dr.-Ing. Jörg Benze, T-Systems Multimedia Solutions GmbH, Dresden Prof. Dr.-Ing. Christian Diedrich, ifak e.v. Magdeburg, Magdeburg Dipl.-Phys. Hans Honecker, Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI), Bonn Dipl.-Inform. Christian Hübner, ifak e.v. Magdeburg, Magdeburg Dipl.-Wirtsch.-Ing. Ullrich C.C. Jagstaidt, Institut für Wirtschaftsinformatik, Georg-August-Universität Göttingen Dipl.-Ing. Mariam Khattabi, MVV Energie AG, Mannheim Dipl.-Phys. Andreas Kießling, MVV Energie AG, Mannheim Dipl.-Ing. Dieter Kopp, Alcatel-Lucent Deutschland AG, Stuttgart Dipl.-Ing. Holger Krings, FGH e.v., Mannheim Jun.-Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff, OFFIS Institut für Informatik, Oldenburg Dr.-Ing. Rainer M. Speh, Siemens AG, München Prof. Dipl.-Ing. Erich Stein, Fachhochschule Jena, Jena Dr.-Ing. Mathias Uslar, OFFIS Institut für Informatik, Oldenburg Dr.-Ing. Volker Wittpahl, Wittpahl Ingenieur- und Innovationsbüro, Oldenburg Impressum VDE VERBAND DER ELEKTROTECHNIK ELEKTRONIK INFORMATIONSTECHNIK e.v. Stresemannallee Frankfurt am Main Fon Fax Titelbild: Siemens Gestaltung: Michael Kellermann Graphik-Design Schwielowsee-Caputh Dezember Informationstechnische Gesellschaft im VDE

3 Energieinformationsnetze und -systeme Bestandsaufnahme und Entwicklungstendenzen Ein Positionspapier der Informationstechnischen Gesellschaft im VDE (ITG) Die ITG engagiert sich mit Experten aus Wirtschaft, Wissenschaft und Politik für die Förderung der Informationstechnik, ihrer Anwendungen und für den technisch-wissenschaftlichen Nachwuchs. Der VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik ist mit Mitgliedern, davon Unternehmen, einer der großen technischwissenschaftlichen Verbände Europas. 3 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

4 Kurzfassung Energieinformationsnetze und -systeme sind ein entscheidender Bestandteil eines zukünftigen intelligenten Energie versorgungssystems (Smart Grid). Die grundlegenden Ziele im Bereich der Umweltverträglichkeit bestehen in der Reduzierung der CO 2 -Emmissionen, der Integration der erneuerbaren Energien und der Energieeinsparung durch Erhöhung der Energieeffizienz. Diese Ziele müssen unter Beibehaltung der Versorgungssicherheit und unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit durch Schaffung neuer Marktszenarien und Geschäftsmodelle verfolgt werden. Die Anforderungen an das zukünftige Energie versorgungssystem leiten sich von den zuvor genannten Zielstellungen ab. Zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit muss die unverzichtbare Kernfunktionalität der Versorgungssysteme in Krisenlagen ( Graceful Degradation ) aufrechterhalten und Mechanismen zur schnellstmöglichen Wiederherstellung nach Totalausfällen (Schwarzstartfähigkeit) berücksichtigt werden. Dazu ist es notwendig, dass die einzelnen Teilstrukturen sehr robust und resilient ausgelegt werden. Große Bedeutung kommt den Sicherheitsanforderungen zu, die sowohl die Sicherheit vor Angriffen ( Security ) als auch die Betriebssicherheit ( Safety ), aber auch die Datenschutzaspekte ( Privacy ) umfassen. Neue Anforderungen an das Energie versorgungssystem ergeben sich aus der zunehmenden Integration von dezentraler Einspeisung in die Versorgungsnetze, wodurch es zur Umkehrung der Energieflüsse kommen kann und die Netzqualität durch Spannungsbandverletzungen beeinträchtigt wird. Aus diesem Grund muss die Anzahl aktiver schutz- und leittechnischer Komponenten steigen, die auf Seiten der dezentralen Energiegewinnungsanlagen (DEA), aber auch innerhalb der bestehenden Netzinfrastruktur installiert werden, um notwendige Schutz- und Steuerungsfunktionen zu gewährleisten. Auch die zunehmende Anzahl an Elektrofahrzeugen wird in Zukunft die Energieverteilungsnetze belasten, so dass ein netzseitiges Ladelastmanagement erforderlich werden wird. Mit Hilfe von Smart Grids sollen zukünftig auch als Erzeuger auftretende Betreiber kleinerer Energiegewinnungsanlagen sowie Energienutzer die Möglichkeit erhalten, an der Koordination von angebotener und nachgefragter Leistung teilzunehmen. Anreize zur Teilnahme sollen aus verschiedenen Optimierungszielen anderer Marktakteure erwachsen. All diese Anforderungen machen eine deutlich umfangreichere messtechnische Erfassung und Überwachung des Energie versorgungssystems erforderlich. 4 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

5 Energieinformationsnetze und -systeme sollen für das heutige und zukünftige Energieversorgungssystem alle erforderlichen Daten für Messung und Steuerung des Energieeinsatzes bereitstellen. Die Realisierung eines Energieinformationsnetzes erfordert den interdisziplinären Einsatz von Know-how aus den Fachdisziplinen Energieversorgung, Telekommunikation und Automatisierungstechnik. Betrachtet man heutige Energie versorgungsnetze und Telekommunikationsnetze in ihrem Aufbau und ihrer Struktur (einschließlich der darin enthaltenen Automatisierung), so lassen sich gewisse Parallelen erkennen. Verschiedene Aspekte stehen hier auf unterschiedlichen Evolutionsstufen, so dass Erfahrungen übertragen werden können. Dies gilt unter der Annahme, dass sich aufgrund der zunehmenden dezentralen Energiegewinnung ein Paradigmenwechsel in der Energieversorgung hin zu einer Peer-to- Peer Architektur vollzieht. Für den Know-how Transfer zwischen den Fachdisziplinen muss ein gemeinsames Verständnis gebildet werden, z.b. mit Hilfe eines Klassifikationsschemas, das Begriffe aus verschiedenen Domänen in Relation setzt. Auf Basis des Klassifikationsschemas lässt sich ein generisches Modell des Energieinformationsnetzes entwickeln mit dem Ziel einer weitgehend vollständigen Modellierung auf hoher Abstraktionsebene zur Beschreibung des aktuellen Standes und zur Abschätzung der zukünftigen Entwicklungen. Das generische Modell besteht aus den vier Ebenen Infrastruktur, Informationsobjekte und Dienstekommunikation, Dienste und Dienstenutzer. Das Modell erlaubt die Integration existierender Technologien und die Erfassung der virtuellen Welt der Dienste unabhängig von der unterliegenden Infrastruktur. Mit zunehmendem Einsatz dezentraler Energiegewinnungsanlagen und deren weitgehend unkontrollierten Einspeisung in das Verteilungsnetz wird ein aktives Management dieser Anlagen erforderlich. Aufgrund der wachsenden Anzahl einzubeziehender dezentraler Elemente führen zentrale Ansätze zu einer stark zunehmenden Komplexität der Steuerung. Folglich gewinnt die Entwicklung neuer Methoden zur dezentralen und automatisierten Netzführung im Verteilungsnetz an Bedeutung. Die Energiegewinnungsanlagen können im Rahmen neuartiger Geschäftsmodelle Systemdienstleistungen (z.b. zur Blindleistungs- und Spannungsregelung) anbieten und somit einen aktiven Beitrag zur Verbesserung der Qualität und Stabilität der Verteilungsnetze leisten. 5 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

6 Voraussetzung für die technisch und wirtschaftlich beherrschbare Steuerung der Verteilungsnetze ist die Verfügbarkeit und Anwendung von durchgängigen Standards. Dazu gehören in erster Linie die IEC als umfassendes Kommunikations- und Informationsprotokoll für die Automatisierungsebene sowie die IEC (CIM) für die IT-Ebene. Aufgrund des verteilten Charakters des Energiesystems bietet sich die funktionsbausteinbasierte IEC zur Implementierung der verteilten Automatisierungsstrukturen an. Für die Realisierung des zukünftigen intelligenten Energieversorgungssystems besteht Handlungsbedarf insbesondere im Bereich der Standardisierung zur Harmonisierung von IEC und CIM sowie zur Sicherstellung von Interoperabilität und Konformität der Systemkomponenten. Es wird empfohlen, die notwendigen Entwicklungen auf allen Ebenen voranzutreiben und dabei die Voraussetzungen für die Erhaltung der Versorgungssicherheit zu schaffen. Dazu müssen die fachlichen Grenzen im Bereich der Energieversorgung, Telekommunikation und Automatisierung überwunden und alle betroffenen Akteure eingebunden werden. Ein Schritt in diese Richtung kann durch die Verfeinerung des generischen Modells unternommen werden, um es zu einem einheitlichen Beschreibungsmodell für Energieinformationsnetze und -systeme weiter zu entwickeln. 6 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

7 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Ziel und Struktur des Dokuments Zielstellungen für das Energiesystem der Zukunft Umweltverträglichkeit Versorgungssicherheit Wirtschaftlichkeit 21 2 Anforderungen Allgemeine Anforderungen an das Energieversorgungssystem Versorgungssicherheit, Graceful Degradation und Schwarzstartfähigkeit Robustheit und Resilienz Sicherheitsanforderungen Sicherheit vor Angriffen ( Security ) Betriebssicherheit ( Safety ) Verfügbarkeit, Sicherheit vor technischem und menschlichem Versagen Neue Anforderungen aus Netzsicht Starke Beeinflussung der Lastflüsse in Verteilungsnetzen Anforderungen an die Sekundärtechnik zur Überwachung der Verteilungsnetze Anforderungen an Informations- und Kommunikations technologie (IKT) Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Funktionssicherheit, Fehlertoleranz Definitionen Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit der elektrischen Energieversorgung in Deutschland Mindestanforderungen an zukünftige Entwicklungen 38 7 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

8 2.6 Erforderliche Kenngrößen und Mengengerüst Messwerte Auslegungsdaten Grenzwerte Energiespeicher Lastmanagement aus Sicht des Verbrauchers Energiepreise aus Sicht des Verbrauchers Zählerstände Beispiele für Schutzparameter 43 3 Energieinformationsnetze als zukünftige Basis für ein intelligentes Energiemanagement Paradigmenwechsel in der Energieversorgung Klassifikationsschema 47 4 Generisches Modell eines Energieinformationsnetzes Vorteile des Modells Anwendung des Modells Funktionale Beschreibung Funktionale Anforderungen Formulierung der Sicherheitsanforderungen 53 5 Verteilte Automatisierung im Verteilungsnetz Steigender Automatisierungsbedarf im Verteilungsnetz Energiesystem-Modellierung Systemmodell Smart Energy System Architekturen von Steuerungssystemen in Verteilungsnetzen Verteilte Steuerung im Smart Energy System durch Agenten Verteilte Steuerung von Schutzsystemen in der Mittelspannung mit Funktionsbausteinen 68 8 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

9 5.5 Szenarien und Use Cases für die Automatisierung im Verteilungsnetz Steuerung und Regelung von Erzeugung und Verbrauch in den Niederspannungsnetzen Systemdienstleistungen im Kontext E-Mobilität Systemdienstleistungen als Geschäftsmodell für An lagenbetreiber im Verteilungsnetz und in Objekten Standards für Protokolle und Datenmodelle IEC IEC (CIM for DMS) IEC (Funktionsbausteinsysteme) 84 6 Möglichkeiten und Limitierung bestehender Systeme Advanced Metering Advanced Meter Infrastructure / Smart Meter Advanced Metering Möglichkeiten der Wertschöpfung Derzeitige Limitierung des Advanced Metering Klassische Fernwirktechnik Endkundenschnittstelle auf Basis von Web-Technologien 95 9 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

10 7 Herausforderungen Handlungsbedarf zur Standardisierung Harmonisierung und Erweiterung von & CIM Abbildung von IEC auf IEC Sicherstellung von Interoperabilität / Konformität Empfehlungen Forcierung notwendiger Entwicklungen Voraussetzungen für Erhaltung der Versorgungs sicherheit schaffen Überwindung fachlicher Grenzen Einbindung der Informationstechnologie für Smart Metering Berücksichtigung der IKT-Anforderungen Gewährleistung von Robustheit und Resilienz Begrenzung der Abhängigkeiten von anderen Infrastrukturen Begrenzung der Komplexität Beachtung der grundsätzlichen Anforderungen Systemweite Interoperabilität durch Standards Trennung betrieblicher und wirtschaftlicher Dienste Weiterentwicklung unter Einbindung aller Betroffenen 107 Literaturverzeichnis 108 Glossar 112 Abkürzungsverzeichnis Informationstechnische Gesellschaft im VDE

11 1 Einleitung Um den Ausstoß schädlicher Gase in die Umwelt zu verringern, sowie dem begrenzten Angebot an fossilen Energieträgern zu begegnen, wurde 1991 das erste Stromeinspeisegesetz in Kraft gesetzt. Über drei Novellen hin zum Energie-Einspeisegesetz (EEG) in der Fassung von 2009 wurde und wird die Energiegewinnung aus erneuerbaren Energiequellen (EE) gefördert und zeigte in der Vergangenheit besonders im Bereich der Windenergie sowie der Photovoltaik zweistellige Wachstumsraten [8]. Trotz der degressiven Einspeisevergütung deuten die Prognosen auch in naher Zukunft auf einen deutlichen Zuwachs hin. Neben einem klimaverträglichen Ersatz fossiler Energiequellen in Form einer sukzessiven Substitution durch regenerative Quellen kann somit zunehmend den Risiken der nuklearen Energiegewinnung sowie einer ungeklärten Entsorgungsfrage radioaktiver Abfälle begegnet werden. Das fluktuierende Dargebot von Energiequellen wie Wind und Photovoltaik, flankiert durch eine zunehmende dezentrale Erzeugung, fordert neue Trans port- und Speichermöglichkeiten für Energie verbunden mit einer intelligenten Steuerung und Regelung des gesamten Energieversorgungssystems (Smart Grid). Die Definition des Begriffes wurde im deutschen Standardisierungs-Strategiekreis Smart Grid sowie im Rahmen der deutschen Normungsroadmap E-Energy / Smart Grid wie folgt vorgenommen: Der Begriff Smart Grid (Intelligentes Energieversorgungssystem) umfasst die Vernetzung und Steuerung von intelligenten Erzeugern, Speichern, Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungs- und -ver teilungsnetzen mit Hilfe von In formations- und Kommunikationstechnik (IKT). Ziel ist es, auf Basis eines transparenten energieund kosteneffizienten sowie sicheren und zuverlässigen Systembetriebs eine nachhaltige und umweltverträgliche Energieversorgung sicherzustellen. Durch das erfolgte Unbundling der ursprünglichen operierenden Energie versorgungsunternehmen und die Aufteilung dieser in individuelle Gesellschaften besteht der Bedarf an Informationsaustausch und Kommunikation zwischen diesen. Durch weitere Anforderungen und Dienstleistungen wie z.b. eine kommende unterschiedliche Tarifierung steigt der Bedarf an IKT zur Umsetzung ebenfalls an. Die Wirkungsmatrix in Abbildung 1 visualisiert, wie die Domänen Erzeugung, Verbrauch, Transport, Verteilung und Speicherung kommunikationstechnisch zu koppeln sind. 11 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

12 Smart Generation Smart Distribution und Transmission Smart Grid Kommunikation zwischen allen Systemkomponenten Smart Consumption Smart Storage Interdisziplinäre Technologien: Datensammlung, -verarbeitung und -vernetzung Marktplatz Netzbetrieb Abbildung 1: Wirkungsmatrix des Smart Grids Für eine optimale Netzführung werden Energienutzer zukünftig in die Regelung des Gesamt-Systems mit Anreizen und vielfältigen neuen Energiedienstleistungen eingebunden, die sie damit zur direkten Beeinflussung der Energiekosten und der Energieeffizienz befähigen, sie zum energetisch aktiv und eigenständig handelnden Teilnehmer im Energiemarkt entwickeln, sowie ihren Beitrag zum umweltfreundlichen Energieverbrauch durch direkten Einfluss auf Energiebezug und -angebot, auf Herkunftsort und Herstellungseigenschaften der benötigten Energie stärken. Nachfolgend werden Thesen zu den grundlegenden Eigenschaften eines intelligenten Energieversorgungssystems (Smart Grid) aufgeführt, welche sich bei der Einführung eines intelligenten Systems vorteilhaft gegenüber den jetzigen Strukturen darstellen sollen: Smart Grids können in effizienter Weise schwankende Erzeugung und schwankenden Verbrauch in Einklang bringen. Neben Erzeugungs- und Lastmanagement werden hierzu auch vorhandene und neue Speichertechnologien genutzt. Hierdurch wird langfristig eine Energieversorgung über vorwiegend erneuerbare Energien mit stetig sinkendem Anteil fossiler und nuklearer Kapazitäten möglich. Smart Grids ermöglichen einen breiten Ausbau der dezentralen Erzeugung. Damit können Stromerzeugung und -verbrauch in geografischer Nähe erfolgen und Transportverluste reduziert werden. Smart Grids können durch eine geringere Abhängigkeit von wenigen zentralen und bei Ausfall nur schwer zu kompensierenden Energiequellen die Versorgungssicherheit erhöhen. 12 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

13 Smart Grids schaffen die Möglichkeit, Energielieferung und Energiedienstleistung stärker zu verbinden, womit vielfältige neue Energiedienste zur Verbindung mit anderen Lebensbereichen, insbesondere zur Verbindung von Smart Grid mit Gebäuden für ein gesamthaftes Gebäude-Energiemanagement entstehen. Smart Grids verbessern die Position von Endenergienutzern als energetisch aktiv und eigenständig handelnde Teilnehmer im Energiemarkt. Smart Grids bieten die Gelegenheit spartenübergreifend die Energieeffizienz zu steigern, insbesondere in der Verbindung von Strom und Wärme bzw. Kälte. Smart Grids können eine Antwort auf die zunehmende Komplexität bei der Steuerung der Energieversorgungssysteme durch die wechselnden Stromflüsse bei hohem Anteil dezentraler Erzeugung sein. Ziel ist dabei, die Versorgungssicherheit zu erhalten oder darüber hinaus zu erhöhen, indem durch zellulare Ansätze und dezentral verteilte Automatisierungslösungen Netzbereiche in ihrem Betrieb aufrecht erhalten werden können, obwohl angrenzende Bereiche ausgefallen sind. Zusammengefasst weisen Smart Grids als intelligente Energieversorgungssysteme den Weg in eine energiewirtschaftliche Zukunft, die nachhaltig und effizient ist, sowie regionale und zentrale Aspekte der Erzeugung verbindet. Durch dezentrale Strukturen und die erfolgten Entflechtungsmaßnahmen (Unbundling) ist ein komplexes System in verschiedenen Wirkungsdomänen entstanden, welches mit einer Vielzahl von Teilnehmern und Rollen im System und durch eine um fangreiche Funktionsvielfalt zu modellieren ist. Aus diesem Grund werden im Folgenden die Rollen im zukünftigen intelligenten Energiesystem dargestellt. Auf der Grundlage der Bestimmung von Rollen und Verantwortlichkeiten, der Entwicklung eines neuen legislativen und regulatorischen Rahmens, der Identifikation neuer Marktszenarien und Geschäftsmodelle werden zunächst Anwendungsszenarien und danach die übergeordneten Funktionalitäten des zukünftigen Wertschöpfungsnetzwerkes beschrieben, die wie derum in neuen Anwendungsfallbeschreibungen und neuen Prozessen münden. Diese Anwendungsfallszenarien sind dann die Grundlage zur Definition neuer Geschäftsmodelle und Produkte. Rollen sind teilweise national oder regional durch unterschiedliche regulatorische oder gesetzliche Bestimmungen definiert und geprägt. Durch eine möglichst weitgehende Einteilung von theoretischen, granularen Rollen kann versucht werden, Lösungen, Funktionalitäten, Module oder Schnittstellenbeschreibungen, die auf ein Verständnis der verschiedenen Rollen aufbauen, weitestgehend so zu beschreiben, dass grundlegende Ergebnisse auch auf internationaler oder europäischer Ebene übertragbar bleiben. Dies bedeutet, dass manche Rollen in der 13 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

14 Praxis zusammenfallen bzw. manche Marktteilnehmer mehrere Rollen ausüben. Im europäischen Dokument der Task Force Smart Grid in der Expert Group 3 werden die Systemrollen innerhalb von fünf Rollengruppen zusammengefasst. Die Rollen im energetischen Wertschöpfungsnetzwerk lassen sich dabei in zwei Ebenen mit Verantwortlichkeiten im Energiemarkt und mit Verantwortlichkeiten zur Netzführung einordnen. Die Rollengruppen im Netzbereich umfassen den Netzbetreiber und den Netznutzer, während die Rollengruppen im Energiemarkt die Kategorien des Energiemarktplatzes zum Austausch von Energie sowie der Technologien und Dienstleistungen für den Betrieb des Energiesystems umfassen. Eine weitere Kategorie wurde mit nicht direkt zum energetischen Wertschöpfungsnetzwerk zurechenbaren Beeinflussern definiert, die das legislative, regulatorische und Finanzierungsumfeld umfassen. Folgende Systemrollen wurden auf Grundlage bisheriger und mit der Entwicklung von Smart Grids neu entstehender Verantwortlichkeiten identifiziert. Weitergehende begriffliche Erläuterungen zu den Systemrollen finden sich im Glossar. Rollengruppe Netzbetreiber Übertragungsnetzbetreiber (en: Transmission Service Operator, TSO) Verteilungsnetzbetreiber (en: Distribution Service Operator, DSO) Rollengruppe Netznutzer Erzeuger (en: Generator) Energienutzer (en: Consumer) Lieferant (en: Supplier) Rollengruppe Energiemarktplatz Energiebörse (en: Energy Exchange) Bilanzkreisverantwortlicher (BKV, en: Balance Responsible Party) Bilanzkreiskoordinator (BKK, en: Balance Grid Coordinator, Balance Responsible Party) analog zu Regelzonen-Verantwortlicher (en: Control Area Manager) Abwicklungs- und Einigungsdienstleister (en: Clearing & Settlement) Energiehändler (en: Trader) Energielieferant (en: Supplier), im Sinne von Multi-Utility zu verstehen (Strom, Wärme, Gas, Wasser) Rollengruppe Technologien und Energiedienstleistungen Technologielieferant Elektrizitätsversorgungsanlagen (en: Electric Power Grid Equipment) Technologielieferant Information- und Kommunikationstechnologie (IKT) (en: Information Communication Technologies (ICT)) Technologielieferant Haushaltsgeräte (en: Home Appliances) 14 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

15 Technologielieferant Gebäudeautomatisierung und Energiemanagement (en: Building Automation / Energy Management) Technologielieferant elektrischer Transport und emobile (en: Electric Transport / Vehicle Solutions) Kommunikationsnetzbetreiber (en: Grid communications network provider) Abrechnungsdienstleister (en: Metering and Billing) Systemrolle zur Erbringung von Zählerablese- und Abrechnungsdienstleistungen Messstellendienstleister (Abk: MDL; en: Metering point service provider) Messstellenbetreiber (Abk: MSB; en: Metering point service operator) Energiedienstleister (en: Metering Energy service provider) Rollengruppe Beeinflusser Typ von Energierollen zur Gruppierung von weiteren den Energiemarkt und das Energiesystem beeinflussenden Parteien wie Regulatoren, Standardisierungskörperschaften, Regierungen und Finanzsektor 1.1 Ziel und Struktur des Dokuments Das Dokument soll Entscheidungsträgern sowie allen interessierten Personen vor allem der drei betroffenen Sparten (Energieversorgung, Automatisierung, Telekommunikation) als Grundlage für ein gemeinsames Verständnis dienen. Es soll bewusst machen, welche Anforderungen aus der inzwischen dynamischen Entwicklung im Energiebereich allgemein und im Besonderen für die beiden Sparten der Automatisierung und Telekommunikation er wachsen. Dazu werden neben dem notwendigen Grundverständnis für das gegenwärtige und zukünftige Energieversorgungssystem vor allem die Anforderungen adressiert, wie sie aus den stattfindenden Veränderungen resultieren. Im Kapitel Anforderungen werden sämtliche Aspekte thematisch gruppiert angesprochen und im weiteren Verlauf anhand der abzusehenden bzw. prognostizierten Entwicklungen und Veränderungen gespiegelt. Es wurde ein generisches Modell aus den Analogien zwischen den Sparten abgeleitet, um damit ein besseres, interdisziplinäres Verständnis zwischen den funktional verschmelzenden Bereichen zu erreichen. Anhand einer exemplarisch aufgezeigten Ausprägung einer Automatisierung im Verteilungsnetz unter Berücksichtigung eines denkbaren Architekturkonzepts wurde ein Modellierungsansatz auf Basis diverser Use Cases skizziert. Ziel des Dokuments ist es nicht, eine bestimmte Ausprägung herauszustellen oder gar einzufordern. Das Ziel ist die Schärfung des Bewusstseins für die kommenden Herausforderungen und das gemeinsame, prinzipielle Grundverständnis eines intelligenten 15 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

16 Energieversorgungs systems zu fördern wie auch immer dieses letztlich ausgeprägt sein mag. Schließlich werden einige aussichtsreiche Protokolle diskutiert, welche sich insbesondere für die Verwendung in intelligenten Netzen eignen, ohne den Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben. Sicher ist, dass es daneben weitere Protokolle peripherer Systeme geben wird, welche zur Verknüpfung Gateways erforderlich machen. Exemplarisch werden hierzu Möglichkeiten und Limitierungen bestehender Systeme erörtert und anhand verschiedener Beispiele aufgezeigt. Am Ende des Dokuments wird der Handlungsbedarf insbesondere im Bereich der Standardisierung aufgegriffen und Empfehlungen werden abgeleitet, um einen möglichst effizienten Weg zum Erreichen des großen Ziels eines effizienten, intelligenten, sicheren und hoch verfügbaren Gesamtsystems der Energieversorgung zu gehen. 1.2 Zielstellungen für das Energiesystem der Zukunft Die aktuellen politischen Zielsetzungen wurden zuletzt im Energiekonzept der Bundesregierung am 28. September 2010 der Öffentlichkeit vorgestellt und enthalten die Leitlinien [7], [11], [12], [13], [14]: Verlängerung der Laufzeiten für Atomkraftwerke, Reserve- und Ausgleichskapazitäten durch Kohle- und Gaskraftwerke, Offshore Windparks, Elektromobilität, Aus- und Umbau der Stromnetze sowie Reduzierung des Energieverbrauchs und Steigerung der Energieeffizienz. Die sehr kontroverse Diskussion zum Energiekonzept soll in diesem Positionspapier nicht geführt werden, weshalb nachfolgend der aktuelle Inhalt nur zusammengefasst wird. Entscheidend für dieses Papier ist der zukünftig hohe Anteil von Energiegewinnung aus erneuerbaren Quellen sowie die zunehmend dezentrale Erzeugung, die mittels informationstechnischer Vernetzung und zunehmender Automatisierung zu neuen Methoden der Netzführung im Verteilungsnetz und zu neuen Marktmechanismen inklusive regionaler Prozesse und Leistungsangebote führt. Die beschlossene Laufzeitverlängerung von Atomkraftwerken führt zu folgender Situation. Verglichen mit den im Jahr 2000 vereinbarten Betriebszeiten für Atomkraftwerke würden die Laufzeiten älterer Kraftwerke um 8 Jahre und die der nach 1980 gebauten Kraftwerke um 14 Jahre verlängert. Damit würde der letzte Atommeiler statt 2021 erst 2035 vom Netz gehen. Diese Frist könnte sich nach Schätzungen um weitere zwei bis fünf Jahre verlängern, da die Auslastung dieser Kraftwerke wegen steigender Einspeisung regenerativer Energie ins Netz 16 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

17 sinken würde und da die Laufzeiten in Stromkontingente umgerechnet werden mehr Zeit verginge, bis diese Stromkontingente durch die Atomkraftwerke produziert würden. Insbesondere Gaskraftwerke und vielfältige Speichertechnologien sollen dort flexibel eingesetzt werden, wo es gilt das schwankende Angebot regenerativer Energien auszugleichen. Unklar ist momentan unter welchen Bedingungen die CCS-Technologie und deren Einsatz zur Abscheidung und Speicherung von in Kohlekraftwerken anfallendem CO 2 gefördert wird. Der Anteil der erneuerbaren Energiequellen an der gesamten Energieversorgung soll sich laut Energiekonzept in den nächsten 10 Jahren auf ungefähr 18% verdoppeln und bis 2050 auf 60% ansteigen. Die Stromerzeugung betreffend favorisiert die aktuelle Bundesregierung Off- Shore Windparks vor der Küste (bis 2030 im Umfang von 25 Gigawatt, welches ca Windrädern und einer Investitionssumme von 75 Milliarden Euro entspricht) [7]. Während für die Solarenergie nach 2020 nur noch ein langsamer Anstieg angenommen wird wobei die angesetzte Wachstumsquote von vielen Fachleuten als zu pessimistisch eingeschätzt wird setzt die Bundesregierung verstärkt auf die Stromgewinnung durch Biomasse. Offen ist auch hier, in wieweit Land- und Forstwirtschaft dies umsetzen können. Während heute ein Neuwagen im Durchschnitt 160 Gramm CO 2 pro Kilometer produziert, fordert die Bundesregierung für 2040 die Reduzierung auf 35 Gramm. Der Weg dorthin soll über eine Million PKW mit Elektroantrieb in 2020 und sechs Millionen in 2030 führen [7]. Rahmenbedingungen hierfür sind entsprechende Infrastrukturen der verteilten Einspeisung von Energie, ihre Speicherung und Entnahme und die damit verbundenen Abrechnungen. Um die o.g Punkte umzusetzen, misst die Bundesregierung dem Aus- und Umbau der Stromnetze höchste Bedeutung bei. Dazu gehören ein sicheres und leistungsstarkes Nord-Süd-(Overlay-)Netz, die Entwicklung intelligenter Netze im Bereich der Verteilungsnetze, eine verbesserte Anbindung an die Netze der europäischen Nachbarn und der gebündelte Anschluss von Off-Shore Windparks. Für diese Vorhaben können die Netzbetreiber mit finanzieller Unterstützung rechnen. Ein entscheidender Beitrag zur Netzstabilität ist die Entwicklung neuer und die bessere Nutzung bestehender Speichertechnologien, um Schwankungen in der regenerativen Stromerzeugung zu dämpfen. Als erste Maßnahme werden bestehende Speicher vom doppelten Netz nutzungs entgelt für den An- und Abtransport des Stromes beim Zwischen speichern befreit. Die größte Anstrengung ist jedoch mit dem Plan der Bundesregierung verbunden, den Energieverbrauch bis 2050 auf 50% der Werte von 2008 zu reduzieren, wobei der Stromverbrauch nicht zuletzt wegen der Elektromobilität um 25% reduziert werden soll. Damit folgt die Bundesregierung der Empfehlung der Studie Energieszenarien für ein 17 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

18 Energiekonzept der Bundesregierung vorgelegt im September 2010 durch die Prognos AG, das EWI (Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln) und die GWS (Gesell schaft für Wirtschaftliche Strukturforschung). Abbildung 2 fasst die im weiteren beschriebenen Zielstellungen zusammen. Reduzierung Kohlendioxidausstoß Wandel im Energiemix zu Erneuerbaren Energien (EE) Energieeinsparung und Erhöhung der Energieeffizienz Erhaltung der Versorgungssicherheit Umweltverträglichkeit Versorgungssicherheit Zukunftssäulen Verteilte Erzeugung mit EE und KWK Energiespeicher Intelligentes zellulares Energiesystem (Smart Grid) Dezentrales Energiemanagement und Energie- Marktplätze Neuer legislativer und regulatorischer Rahmen Neue Geschäftsmodelle mit neuen Dienstleistungen Anreizsysteme für Energiemarktakteure und Kunden Wirtschaftlichkeit Abbildung : : Zielstellungen ielstellungen ielstellungen und Zukunftssäulen ukun tss ulen ukun tss ulen des zukünftigen uk n tigen uk n tigen intelligenten Energie nergie nergie versorgungssystem Umweltverträglichkeit Das grundlegende Ziel besteht in der Verringerung des CO 2 -Ausstoßes, im sorgsameren Umgang mit den begrenzten Ressourcen an fossilen Energieträgern sowie in vielfältigen Maßnahmen zur Erhöhung der Energieeffizienz. Ein entsprechender Konsens hat sich weltweit entwickelt und wird mit entsprechenden politischen Rahmenbedingungen versehen. Daraus ergibt sich als weitere Zielstellung der beschleunigte Aufbau von Energiegewinnungsseinrichtungen zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen im neuen Energiemix. Dazu wird nachfolgend aus dem Position Paper on Smart Grids An ERGEG Public Consultation Paper [24] zitiert: In April 2009, EU adopted the Climate-Energy Legislative Package (see references: [16] [17] [18] [19] [20] [21]) setting the following key objectives to be achieved by 2020: Cutting greenhouse gas emissions by at least 20% with respect to 1990 (30% if other developed countries commit to comparable cuts); Increasing to 20% the share of renewable energies (wind, solar, biomass, etc) in overall energy consumption (currently about 8.5%). 18 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

19 A third objective of the European energy policy was established by the European Parliament in January 2008: Saving 20% of the projected energy consumption by improving energy efficiency. Consistently with these 20/20/20 objectives for 2020, more ambitious objectives are being developed by the European Commission for Damit wird als erste Säule der zukünftigen Energiewirtschaft die Energiegewinnung zur Nutzung aller Potentiale über einerseits zentrale und verteilte Anlagen auf der Hochspannungsebene des Übertragungsnetzes (z.b. on-/off-shore Wind, großflächige Sonnenenergieanlagen), aber anderseits auch über verteilte Anlagen auf der Mittelspannungsebene des Verteilungsnetzes bis hin zur Kleinanlagen aus lokalen Energiepotentialen auf Freiflächen und Gebäuden auf der Niederspannungsebene im Verteilungsnetz definiert. Die zunehmende verteilte Energiegewinnung aus erneuerbaren Energiequellen ist mit der Tatsache verbunden, dass das zukünftige Energieangebot schwankender und weniger steuerbar als bisher zur Verfügung steht. Dies trifft insbesondere für Sonne und Wind zu, wobei bei Großanlagen erschwerend die Tatsache hinzu kommt, dass deren Installationsort von den Lastzentren oft weit entfernt liegt. Um dem Energieversorgungssystem der Zukunft die Fähigkeit zu geben, mit diesem schwankenden Angebot umgehen zu können, folgt als zweite Säule der zukünftigen Energiewirtschaft der breite Aufbau von Anlagen zur zentralen und dezentralen Speicherung von Energie mittels elektrischer, elektrochemischer, mechanischer und thermischer Technologien. Der Energiehunger der Welt wächst kontinuierlich. Damit besteht das weitere Ziel im Rahmen des Themenschwerpunktes Umweltverträglichkeit im energiepolitischen Dreieck darin, Energie einzusparen und die Energieeffizienz über die gesamte Wertschöpfungskette mit allen Rollen im Energiemarkt und zum Betrieb der Energieversorgungsnetze bis hin zum Netznutzer als Energienutzer und als Energieanbieter zu erhöhen. Maßnahmen dafür streben einerseits Änderungen im Kundenverhalten an. Anderseits sind dafür aber die Verluste bei der Energieumwandlung sowie beim Transport zu verringern. Die Verringerung von Transportverlusten kann damit erreicht werden, dass Anreize gesetzt werden, die dezentrale Generierung nahe am Verbrauchsort zu errichten und auch durch preisliche Anreize umgewandelte Energie in Form von Strom und Wärme nahe am Umwandlungsort zu verbrauchen. Als weitere Säule der zukünftigen Energiewirtschaft wird deshalb das Energiemanagement mit lokalen, aber auch erzeugungsart- und auf Lieferprodukte bezogene Bilanzkreise definiert. In dieses dezentrale Energiemanagement wird der Prosumer in Vereinigung der Rollen des Erzeugers und des Energienutzers (Producer + Consumer) über auch lokal agierende Energiemarktplätze eingebunden. Möglichkeiten zur stärkeren Verbin- 19 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

20 dung von Energielieferung und Energiedienstleistung werden damit geschaffen. Dies eröffnet die Möglichkeit vielfältige neue Energiedienste anzubieten, die in Verbindung von Smart Grid und dem Smart Home ein gesamthaftes Gebäude-Energiemanagement umfassen sowie die Verbindung mit anderen Lebensbereichen erlauben. Diese Entwicklung ermöglicht es, den Energienutzer als energetisch aktiven und eigenständig handelnden Teilnehmer im Energiemarkt zu etablieren. Die intelligente Vernetzung aller physischen Komponenten im Energieversorgungsnetzwerk zum Smart Grid bietet die Gelegenheit auch spartenübergreifend die Energieeffizienz zu steigern, insbesondere in der Verbindung von Strom und Wärme bzw. Kälte Versorgungssicherheit Nicht zuletzt gilt es unter den neuen Bedingungen die Versorgungssicherheit zu erhalten. Mit der fortschreitenden Nutzung erneuerbarer Energien durch dezentrale Anlagen im Verteilungsnetz sowie Stromerzeugung in kleinen Erzeugungseinheiten auf der Seite des Netznutzers im Niederspannungsbereich entwickelt sich ein bidirektionaler Energiefluss zwischen Übertragungsnetz und Verteilungsnetz, aber auch zwischen Verteilungsnetz und Netznutzerobjekten mit wechselnden Lastflüssen. Die Einbeziehung der Anlagen und Verbraucher im Niederspannungsbereich zur Steuerung dieser Lastflüsse führt zu einer starken Zunahme von Komplexität. Zu hohe Komplexität kann zum Verlust von Steuerbarkeit über zentrale Leitstände und zentral gesteuerte Bilanzkreise führen. Die Reduktion von Komplexität kann durch autonomiefähige, selbst organisierende, aber gleichzeitig zum Gesamtsystem verbundene Strukturen, die intelligent und synergetisch handeln, erreicht werden. Aktuell sind dabei hierarchische und netzwerkartige Verbindungsansätze der autonomen Steuerungsstrukturen für ein dezentrales Energiemanagement in selbst organisierenden Strukturen bekannt, die im Sinne einer hohen Synergie im Gesamtsystem, aber immer von Rahmenbedingungen aus zentralen Netzführungsinstanzen ausgehen. Gemeinsam ist den verschiedenen Ansätzen der Gedanke eines dezentraleren Energiemanagements mit Regelkreisen in regionalen Strukturen zur Ergänzung zentraler Steuerungsmaßnahmen. Damit entsteht ein intelligentes Energieversorgungssystem (Smart Grid) als weitere Säule der zukünftigen Energiewirtschaft (siehe Abbildung 2) auf Grundlage einer verteilten und dezentralen Automatisierungslösung. Die Beherrschung der zunehmenden Komplexität bei der Steuerung der Niederspannungsebene durch die wechselnden Stromflüsse bei hohem Anteil dezentraler Erzeugung mittels eigenständiger, aber verbundener Regelkreise soll zusätzlich die Verfügbarkeit des Energiesystems bei ausfallenden Teilbereichen erhöhen, im Gegensatz zu zentral geführten Systemen mit großflächigen Ausfällen des Energiesystems bei Ausfällen zentraler Erzeugungsanlagen oder Netzführungssystemen. Hier- 20 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

21 bei wird die Analogie zur Kommunikation mittels Internetinfrastruktur im Vergleich zu zentral geführten Kommunikations systemen genutzt. Damit soll ein Beitrag zur Erhöhung der Versorgungssicherheit geleistet werden, da durch zellulare Ansätze in eigenständigen Regelkreisen und dezentral verteilte Automatisierungslösungen Netzbereiche zumindest temporär aufrecht erhalten werden sollen, wenn angrenzende Bereiche ausgefallen sind. Die Versorgungssicherheit würde mit derartig verteilten Strukturen unter Annahme einer hohen Funktionssicherheit aber ebenso durch eine geringere Abhängigkeit von wenigen zentralen Energiequellen durch die oben ausgeführte verteilte Erzeugung auf Grundlage vielfältiger Quellen erhöht werden können Wirtschaftlichkeit Der zuvor begründete, notwendige Umbau des Energieversorgungsnetzwerks kann nur gelingen, wenn volks- und betriebswirtschaftlich erfolgreiche Marktszenarien geschaffen und abgebildet werden können. Damit wird der dritte Themenbereich Wirtschaftlichkeit im energiepolitischen Dreieck angesprochen. Dies führt zu folgenden weiteren Zielstellungen beim Umbau des Energieversorgungsnetzwerks. Erstens besteht die Aufgabe, die notwendigen Veränderungen im legislativen und regulatorischen Rahmen zu definieren, um die Einbeziehung des Energienutzers in die Funktion des intelligenten Energiesystems mit einer bidirektionalen Kommunikation zwischen den Akteuren im Energie markt über den Energiemarktplatz und den Akteuren der Netzführung zu ermöglichen. Neue Marktszenarien mit neuen Geschäftsfällen der Akteure der energiewirtschaftlichen Wertschöpfungskette unter den Bedingungen eines neuartigen intelligenten Energieversorgungssystems (Smart Grid) mit dezentraler Energiegewinnung, Speicherung und dezentralem Energiemanagement sind zu definieren. Dies führt zu neuen Geschäftsmodellen, Produkten und Anwendungs fällen als funktionale Bausteine. Für diese Anwendungsfälle sind Systemrollen und Verantwortlichkeiten festzulegen. Um die Kommunikation zwischen den Anwendungsfällen im Umfeld eines liberalisierten Marktes, eine Verbindung der dezentralen Automatisierungsebene mit dem Energiemarktplatz, die Einbindung von Geräten beim Energienutzer, sowie die diskriminierungsfreie Teilnahme aller Marktteilnehmer zu ermöglichen, steigen die Anforderungen an die standardisierte Kommunikation. Entsprechend stellt die Teilnahme an den Prozessen zur Standardisierung einen Schwerpunkt in der Entwicklung des Smart Grids dar. Der Übergang zu einem neuen, intelligenten Energiesystem (Smart energy system) als Verbindung vom intelligenten Energieversorgungssystem und intelligenten Energiediensten erfordert die Beteiligung aller Marktpartner. Insoweit ist diese Herausforderung nicht durch einen Bereich der Wertschöpfungskette (z.b. Lieferant oder Verteilungsnetz- 21 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

22 betreiber) allein zu bewältigen. Erforderlich sind weiterhin motivierende Faktoren für den Energienutzer, sich in neuer Weise in das Energieversorgungssystem zu integrieren. Die Zielstellung besteht also darin, Anreizsysteme für die Akteure im Energiemarkt und der Netzführung bis hin zum Energienutzer zu definieren. Dies kann insbesondere bei der Systemrolle Verteilungsnetzbetreiber auch mit der Veränderung des regulatorischen Rahmens verbunden sein. Insbesondere bei Energienutzern sind unterschiedlichste wirtschaftliche und psychologische Anreize zu untersuchen. Während die notwendigen legislativen und regulatorischen Veränderungen mehr aus Sicht der Schwerpunktthemen Umweltverträglichkeit und Versorgungssicherheit heraus definiert werden, lenkt das Schwerpunktthema Wirtschaftlichkeit die Aufmerksamkeit mehr auf Geschäftsmodelle, aber insbesondere auch durch Anreizsysteme auf die kundenzentrische Sicht im Interessenumfeld eines mehr eigenverantwortlichen und individuellen Umganges mit dem Thema Energie. 22 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

23 2 Anforderungen Das Energieversorgungssystem muss aufgrund sich ändernder Rahmenbedingungen stark angepasst werden. Der folgende Unterabschnitt geht zuerst auf generelle Anforderungen ein, die sowohl für das bestehende als auch für zukünftige Versorgungssysteme gelten werden. Gemeint sind hier insbesondere Anforderungen aus der Außensicht auf die Versorgungssysteme also solche Anforderungen, die Versorgungssysteme ihren Nutzern gegenüber erfüllen müssen. Anschließend werden im Unterabschnitt 2.2 die Klassen von Sicherheitsanforderungen skizziert, die nur auf Grundlage der jeweiligen generellen Anforderungen abgeleitet werden können aber auch müssen, um die generellen Anforderungen tatsächlich einhalten zu können. Unterabschnitt 2.3 Neue Anforderungen aus Netzsicht geht anhand wichtiger Beispielen auf die konkreten Anforderungen ein, die sich innerhalb der neu zu gestaltenden Versorgungssysteme ergeben. Aus den oben genannten Unterabschnitten werden allgemeine Anforderungen an Informations- und Kommunikationstechnologie ab geleitet (Unterabschnitt 2.4), bevor in den folgenden beiden Unterabschnitten für die weitere Konkretisierung der Anforderungen notwendigen Begriffe Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Funktionssicherheit, Fehlertoleranz eingeführt (Unterabschnitt 2.5) und Aussagen gemacht werden zu Erforderliche Kenngrößen und Mengengerüst (Unterabschnitt 2.6). 2.1 Allgemeine Anforderungen an das Energieversorgungssystem Die Hintergründe für die Notwendigkeit zur Anpassung des Energieversorgungssystems sind bekannt oder werden in diesem Positionspapier erläutert. Unabhängig vom Anpassungszwang bestehen grundlegende Anforderungen weiter, die bereits an das bestehende Energieversorgungssystem gestellt werden, aber auch zu jedem Zeitpunkt des Anpassungsprozesses weiter eingehalten werden müssen. Diese Anforderungen gelten insbesondere aus der Außensicht auf das Energieversorgungssystem sind also solche Anforderungen, die Nutzer an Versorgungssysteme stellen sowohl für den Betrieb unter Normalbedingungen als auch in Krisensituationen Versorgungssicherheit, Graceful Degradation und Schwarzstartfähigkeit Weitgehend unabhängig von der Notwendigkeit zur Anpassung der Energieversorgung bestehen diejenigen allgemeinen grundlegenden Anforderungen an die Versorgungssysteme weiter, die sich aus deren Bedeutung für Wirtschaft und Gemeinwesen ableiten. 23 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

24 Unmittelbar und wohl anderen allgemeinen Anforderungen übergeordnet besteht die zwingende Notwendigkeit, die Versorgungssicherheit der Versorgungssysteme auf dem heute gegebenen, sehr hohen Niveau aufrecht zu erhalten. Je nach Entwicklung der Abhängigkeit anderer für das Gemeinwesen kritischer Infrastrukturen von der Elektrizitätsversorgung ggf. auch mittelbar über die Abhängigkeit von IKT-Diensten wird die zu fordernde Versorgungssicherheit sogar noch erhöht werden müssen. Konkretere Anforderungen an bestehende oder neu einzurichtende (Teil-)Prozesse und (Teil-)Infrastrukturen leiten sich dabei einerseits aus deren unmittelbarer Bedeutung für einzelne Nutzer, für Betreiber, Wirtschaft oder auch das Gemeinwesen insgesamt ab. Andererseits müssen für die Anforderungen an einzelne Prozesse und deren Infrastrukturen auch deren Wechselwirkung mit anderen Prozessen und Prozess-Infrastrukturen berücksichtigt werden. Mechanismen zur Aufrechterhaltung der unverzichtbaren Kernfunktionalität der Versorgungssysteme in Krisenlagen ( Graceful Degradation ) und zu deren schnellstmöglicher Wiederherstellung nach Totalausfällen müssen hier zwingend berücksichtigt werden. Beispielsweise bleibt die Schwarzstartfähigkeit der Elektrizitätsversorgung und die dazu benötigte Schwarzfallfestigkeit der für den Schwarzstart notwendigen Systeme und Kommunikationswege eine unverzichtbare Anforderung Robustheit und Resilienz Die Entwicklung hin zu intelligenten Versorgungssystemen wird zwangsläufig zu deutlich komplexeren Infrastrukturen führen, als sie heute bestehen. Allein aufgrund der zunehmenden Komplexität müssen die einzelnen Teilinfrastrukturen ggf. sehr robust und resilient ausgelegt werden, um die Robustheit des Gesamtsystems nicht zu gefährden. Zumindest dürfen ggf. bewusst minder robust ausgelegte Teilsysteme die notwendige Resilienz des Gesamtsystems nicht gefährden. Dies kann z.b. durch eine geeignete Gestaltung der Abhängigkeiten und Wechselwirkungsmöglichkeiten in der Gesamtarchitektur sichergestellt werden. Um die notwendige Versorgungssicherheit also den robusten und resili enten Betrieb der Versorgungssysteme aufrecht erhalten zu können, müssen insbesondere die notwendigen Sicherheitsanforderungen für die jeweiligen Teilprozesse und -infrastrukturen sorgfältig ermittelt und eingehalten werden. Dabei sind verschiedene Ebenen und Blick winkel auf die Sicherheit zu berücksichtigen. 24 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

25 2.2 Sicherheitsanforderungen Sicherheitsanforderungen sind kein Selbstzweck. Vielmehr ergeben sich diese aus den allgemeinen Anforderungen an Prozesse, Infrastrukturen etc. Unglücklicherweise wird der Begriff Sicherheit im Deutschen mit verschiedenen Bedeutungen verwendet. Grob zusammengefasst wird der Begriff Sicherheit häufig in den Bedeutungen Sicherheit vor Angriffen (engl.: Security ) und Betriebssicherheit (engl.: Safety ) gebraucht. Datenschutzaspekte (engl: Privacy ) werden ggf. unter den Teilbegriff IT-Sicherheit eingeordnet oder sind zusätzlich eigenständig zu behandeln. Verfügbarkeitsaspekte sowie die Sicherheit vor technischem und menschlichem Versagen werden zudem oft nur aus einer der oben genannten spezifischen Perspektiven behandelt und müssen für intelligente Versorgungssysteme daher ggf. gesondert betrachtet werden. Neben der Berücksichtigung der physischen und informationstechnischen Sicherheitsanforderungen müssen zudem Anforderungen an die prozessimmanente Sicherheit gestellt werden. Ein Prozess, der schon von seiner fachlichen Anlage her in sich unsicher ist, ist durch physische oder informationstechnische Sicherheitsmaßnahmen kaum noch zu sichern Sicherheit vor Angriffen ( Security ) Zu unterscheiden ist zwischen Sicherheit vor physischen Angriffen, Angriffen auf der Prozessebene und auf der informationstechnischen Ebene. Die Sicherheit vor physischen Angriffen darf gerade für Versorgungsnetze nicht vernachlässigt werden, wird aber im Rahmen dieses Papiers nur berücksichtigt, wo Wechselwirkungen zwischen physischer Sicherheit und eingesetzten informationstechnischen Systemen zu beachten sind. Sicherheitsanforderungen auf Prozessebene stellen sich insbesondere beim Entwurf und der Implementierung neuer Prozesse und Prozessinfrastrukturen. Insbesondere müssen Prozesse fachlich so angelegt werden, dass auf der Prozessebene keine prozessimmanenten Sicherheitslücken bestehen, da diese auf physischer oder informationstechnischer Ebene kaum wirtschaftlich vertretbar geschlossen werden können. Auch auf informationstechnischer Ebene muss die Sicherheit der zukünftigen Versorgungsinfrastrukturen zu jeder Zeit gewährleistet werden. Auch die zu stellenden IT-Sicherheitsanforderungen sind stark vom jeweils betrachteten Prozess und dessen Prozessinfrastrukturen abhängig. Einen ersten Ansatzpunkt zur Ermittlung informationstechnischer Sicherheitsanforderungen eines geplanten Prozesses können ggf. die BSI-Standards bis zum IT-Grundschutz bieten. Dabei sollten die Anforderungen des Prozesses an die Verfügbarkeit der verwendeten Kommunikationsschicht frühzeitig berücksichtigt werden auch und gerade für den Weiterbetrieb in Krisensituationen. 25 Informationstechnische Gesellschaft im VDE

26 2.2.2 Betriebssicherheit ( Safety ) Bei der Steuerung physischer Prozesse müssen Anforderungen der Betriebssicherheit bzw. Safety mit berücksichtigt werden. Betriebssicherheit insbesondere unter dem Fachterminus Safety dient zur Beherrschung anlagenspezifischer Gefahren für Menschen, Umwelt und Prozessinfrastrukturen. Dabei müssen diese Gefahren selbst dann beherrscht werden, wenn steuerungstechnische Fehler auftreten oder Anlagen gar bewusst fehlgesteuert werden. Den Safety-Anforderungen ist aber unter Umständen schon genüge getan, wenn der betroffene Prozess zum Halt kommt, ggf. sogar unter Inkaufnahme von Schäden im Prozess und in Anlagen. Ein einfaches Beispiel für Safety-Einrichtungen sind elektrische Sicherungen. Auch im Kontext des Positionspapiers sind Safety-Aspekte von Bedeutung. Einerseits dürfen unverzichtbare Funktionalitäten der immer mehr auch informationstechnisch implementierten Safety-Mechanismen nicht durch wie auch immer geartete informationstechnische Probleme beeinträchtigt werden können. Zum anderen werden in den komplexer werdenden Versorgungsinfrastrukturen ggf. auch zusätzliche, stark IKTgestützte und verteilte Safety-Mechanismen eingeführt werden müssen Verfügbarkeit, Sicherheit vor technischem und menschlichem Versagen In der IT-Sicherheit gehört die (jeweils notwendige) Verfügbarkeit grundsätzlich zu den übergeordneten Schutzzielen der IT-Sicherheit (vgl. IT-Grundschutz, BSI). Bei den allgemeineren, oben angesprochenen Begriffsverwendungen ( security, safety ) ist die vollumfängliche Berücksichtigung von Verfügbarkeitsaspekten mit dem Primärziel der Aufrechterhaltung des betroffenen Prozesses oft nicht oder nur am Rande gemeint. Um das Risiko von Missverständnissen auszuschließen, muss bei der Betrachtung der zukünftigen ganzheitlichen, intelligenten Versorgungssysteme explizit sichergestellt werden, dass alle relevanten Anforderungen an die Verfügbarkeit von Komponenten, Teil- und Gesamtsystemen wie auch alle Aspekte der Sicherheit vor technischem und menschlichem Versagen berücksichtigt werden. 2.3 Neue Anforderungen aus Netzsicht In konventionellen Versorgungssystemen, bei denen Leistung auf den oberen Spannungsebenen eingespeist, dort transportiert und dann zu den Verbrauchern verteilt wird, sind Leistungsflüsse in der Regel von oben nach unten gerichtet (von höheren zu niedrigeren Spannungsebenen). Die Leitungskapazitäten der zumeist strahlenförmig betriebenen Niederspannungsnetze (und der teilvermaschten Mittelspannungsnetze) sind entsprechend für eine Worst-Case-Auslastung ausgelegt, die sich an einem gleichzeitigen Maximalverbrauch aller angeschlossenen Ver- 26 Informationstechnische Gesellschaft im VDE