Wie ein digitaler Zwilling Europas Stromnetz sicherer machen soll
Was passiert, wenn ein Cyberangriff Teile des europäischen Stromnetzes trifft? Wenn Extremwetter Leitungen lahmlegt oder sich eine Störung über Ländergrenzen hinweg ausbreitet? Um solche Szenarien künftig digital durchspielen und ihre Folgen besser abschätzen zu können, hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT das europäische Forschungsprojekt TwinEU ins Leben gerufen. 75 Partner aus 15 Ländern entwickeln dafür einzelne digitale Kopien des europäischen Energiesystems.
Das europäische Stromnetz wurde für eine Welt gebaut, die es nicht mehr gibt. Jahrzehntelang war das Verteilnetz passiv: Strom kam im Wesentlichen aus großen Kraftwerken und floss über das Netz zu Haushalten und Unternehmen. Heute stehen Photovoltaikanlagen auf Dächern, Batteriespeicher nehmen Energie auf und geben sie wieder ab, Wärmepumpen laufen in Kellern und Elektroautos hängen an Ladepunkten. Ein Haushalt kann morgens Strom verbrauchen und mittags selbst welchen einspeisen.
Das Stromnetz muss heute deutlich dynamischer reagieren als früher. Gleichzeitig sollen zukünftig immer mehr Wind- und Solaranlagen, Speicher, Ladeparks und Rechenzentren angeschlossen werden. Die entscheidende Frage lautet also nicht nur, wie viel erneuerbare Energie Europa erzeugen, sondern auch, wie das Netz sie aufnehmen und zuverlässig verteilen kann. Dafür muss man möglichst genau wissen, was im Netz gerade passiert – und was passieren würde, wenn sich etwas verändert: da hilft der digitale Zwilling.
Ein Netz, in dem Fehler erlaubt sind
Ein digitaler Zwilling wird laufend mit Daten aus der Realität versorgt. Er soll den Zustand des echten Systems möglichst genau abbilden und verschiedene Entwicklungen simulieren. Wie weit das gehen kann, zeigt ein Versuch am Politecnico di Torino – der technische Universität Turins. Dort wird unter anderem ein Stromnetz auf Sardinien nachgebildet. Schwankt die Sonneneinspeisung oder ändert sich die Richtung der Stromflüsse, reagiert das Modell darauf in Echtzeit. Selbst reale Geräte können eingebunden werden. Eine Ladesäule oder ein Photovoltaikmodul verhält sich dann so, als wäre es tatsächlich an ein Stromnetz angeschlossen. Der entscheidende Unterschied: Geht im Simulator etwas schief, bleibt das Licht in Sardinien trotzdem an.
Besonders interessant wird das bei Situationen, die Netzbetreiber im Alltag gerade nicht ausprobieren können. In den Niederlanden untersucht TwinEU etwa systematisch mögliche Schwachstellen des Energiesystems. Die RWTH Aachen entwickelt im niederländisch-französischen Demonstrator ein Trainingswerkzeug, mit dem Betreiber kritische Situationen durchspielen können. TwinEU kann sichtbar machen, wo ein zunehmend digitalisiertes und vernetztes Stromsystem verwundbar ist, welche Systeme voneinander abhängen und wie sich ein Ausfall weiterentwickeln könnte. Wer kritische Infrastruktur schützen will, muss schließlich zunächst verstehen, wie sie auf Belastungen reagiert.
Europa braucht viele Zwillinge
Ein einziges riesiges Computermodell für ganz Europa wäre allerdings kaum realistisch. Netzbetreiber arbeiten mit unterschiedlichen IT-Systemen und Datenformaten, unterliegen verschiedenen gesetzlichen Vorgaben und verfügen über hochsensible Informationen über kritische Infrastruktur. TwinEU verfolgt deshalb einen föderierten Ansatz. Jeder Netzbetreiber kann einen eigenen digitalen Zwilling entwickeln, der zu seinen Aufgaben und Systemen passt. Standardisierte Schnittstellen und sogenannte Data-Space-Konnektoren sollen anschließend dafür sorgen, dass die verschiedenen Modelle trotzdem Informationen austauschen können.
Für Antonello Monti, Leiter des Projekts am Fraunhofer FIT in Aachen, ist genau diese Verbindung entscheidend: »Es geht am Ende nicht um den digitalen Zwilling Deutschlands oder Frankreichs, sondern um die Möglichkeit, eine europäische Perspektive einzunehmen. Denn viele Fragen des Stromsystems enden nicht an Landesgrenzen. Außerdem sollen Netzbetreiber die Kontrolle über ihre Daten behalten.« Ein Betreiber muss also nicht sein komplettes Netz offenlegen, nur damit zwei digitale Modelle miteinander arbeiten können.
Wo ist eigentlich noch Platz im Netz?
Dass diese Informationen bislang oft fehlen, betrifft nicht nur Netzbetreiber. Wer einen großen Solarpark, einen Ladepark oder ein Rechenzentrum plant, kann relativ leicht herausfinden, wo geeignete Flächen liegen. Wesentlich schwieriger ist die Frage, ob das Stromnetz an dieser Stelle überhaupt genügend Kapazität hat. Diese Informationen liegen häufig verteilt bei verschiedenen Betreibern und Systemen und können aus Sicherheits- und Rechtsgründen nicht einfach veröffentlicht werden. Monti bezeichnet die fehlende Transparenz deshalb als möglichen »Show-Stopper« für neue Geschäftsmodelle.
Digitale Zwillinge können helfen, verfügbare Netzkapazitäten besser sichtbar und Investitionen dadurch planbarer zu machen. Auch politische Strategien lassen sich mit ihnen auf ihre technische Machbarkeit prüfen. Forscher Ettore Bompard vom Politecnico di Torino bringt das Problem auf den Punkt: »Eine Energiepolitik kann noch so ambitioniert sein – wenn sie sich im bestehenden Übertragungs- und Verteilnetz nicht umsetzen lässt, führt sie nicht ans Ziel.«
In Deutschland beginnt die Digitalisierung ganz unten
Wie unterschiedlich die Probleme in Europa sind, zeigt der deutsche Demonstrator. Unter Leitung von E.ON One, der RWTH Aachen und dem Fraunhofer FIT arbeiten dort unter anderem Westnetz, E.ON Energie Deutschland, Amprion und das Softwareunternehmen envelio zusammen. Im Mittelpunkt steht die Niederspannung, also jener Teil des Netzes, an dem besonders viele Haushalte, Solaranlagen, Wärmepumpen und Ladepunkte angeschlossen sind. Gerade dort fehlte bislang häufig eine gemeinsame Datengrundlage. Netzinformationen liegen in unterschiedlichen Systemen und müssen zunächst zusammengeführt werden. Dieser digitale Zwilling kann die Grundlage schaffen, denn E.ON verantwortet rund die Hälfte des deutschen Verteilnetzes. Darauf aufbauend lassen sich Engpässe früher erkennen, Speicher und andere flexible Verbraucher besser einsetzen und Verteil- und Übertragungsnetze koordinieren.
Das schwierigste Problem ist nicht unbedingt technisch
TwinEU vereint insgesamt 75 Partner aus 15 Ländern, darunter große Übertragungs- und Verteilnetzbetreiber, Softwareunternehmen, Regulierungsbehörden und Forschungseinrichtungen. Acht Demonstratoren testen verschiedene Anwendungen im realen Umfeld. Dass so viele Akteure beteiligt sind, macht das Projekt kompliziert – ist aber Teil der Aufgabe. Überall in Europa digitalisieren Netzbetreiber ihre Infrastruktur. Würden die Systeme unabhängig voneinander entstehen, könnten in wenigen Jahren zahlreiche digitale Inseln existieren, die technisch funktionieren, aber nicht miteinander kommunizieren können.
Die Standards dafür müssen deshalb möglichst früh entstehen. Und dabei zeigt sich, dass die Technik häufig nicht das größte Hindernis ist. Schon innerhalb eines Landes kann der Austausch von Netzdaten juristisch anspruchsvoll sein, über Grenzen hinweg erst recht. Hinzu kommen Datenschutz, Sicherheitsanforderungen und unterschiedliche Datenformate. Genau hier sieht Fraunhofer eine zentrale Aufgabe des Projekts: Im geschützten Forschungsrahmen lässt sich testen, was technisch bereits funktioniert, regulatorisch aber noch nicht vorgesehen ist. Daraus können konkrete Empfehlungen an Politik und Regulierung entstehen.
Ein europäisches Netz braucht eine europäische Perspektive
Was heute 75 Partner zusammenbringt, begann deutlich kleiner – mit Antonello Monti, Fraunhofer und anderen europäischen Forschenden, die vor mehr als zehn Jahren zunächst drei Labore miteinander verbanden. Heute geht es darum, aus nationalen Digitalisierungsprojekten ein System zu machen, das für alle und über Ländergrenzen hinweg funktioniert. Denn ein Cyberangriff, ein Engpass oder eine instabile Leitung interessiert sich nicht dafür, wo Deutschland endet und Frankreich beginnt. Das europäische Stromnetz ist längst ein gemeinsames System. TwinEU versucht nun, ihm auch ein gemeinsames digitales Gegenstück zu geben.
(CDE)
This work has received funding from the European Commission in the Horizon Europe TwinEU project under Grant Agreement 101136119
