Smart Grid: Chancen und Risiken für Verbraucher

Im November 2015 wurde ein Gesetzesentwurf zur Digitalisierung der Energiewende beschlossen. Erneut ist damit eine Debatte um den Rollout von Smart Metern (digitalen Stromzählern) aufgeflammt. Bisher nutzen private Haushalte elektromechanische Stromzähler, die händisch abgelesen werden und keine flexible Tarifierung erlauben. Die künftigen Zähler sollen den Weg für die Digitalisierung des gesamten Stromnetzes ebnen. Das dabei entstehende Smart Grid kann bei einem regionalen Überangebot an elektrischer Energie durch Nutzung von steuerbaren Geräten einen Ausgleich vornehmen. Stromkunden bezahlen dann über variable Tarife weniger für die verbrauchte Kilowattstunde: Geräte schalten sich flexibel dazu und stabilisieren die Nachfrage. Die zu erhebenden Daten sind sehr sensibel und können Rückschlüsse auf Lebensgewohnheiten oder identifizierbare Aktivitäten zulassen. Der Gesetzesentwurf berücksichtigt zwar Hinweise, die aus Fachdiskussionen und wissenschaftlichen Untersuchungen stammen und die Schwachstellen bei vorhandenen Smart Meter-Infrastrukturen aufzeigen; es bleibt jedoch zweifelhaft, ob die zwangsweise Digitalisierung der Stromverbrauchsmessung Verbrauchern Vorteile bringt, die den Risiken und Kosten angemessen gegenüber stehen

Security and Privacy in the Smart Grid

Der vermehrte Einsatz von erneuerbaren Energien, welche nicht ständig verfügbar und nur begrenzt speicherbar sind, erschweren die Steuerung der Stromnetze. Zur Anpassung der Energieerzeugung an den tatsächlichen Bedarf werden Smart Grids („intelligente Stromnetze“) aufgebaut, die eine Steuerung des Energieverbrauchs in Abhängigkeit von der Verfügbarkeit ermöglichen. Die bereits vorhandenen Stromnetze werden hierzu um Kommunikationsnetze erweitert. Smart Meter („intelligente Stromzähler“) die beim Verbraucher eingesetzt werden, senden über die Kommunikationsnetze Messdaten zyklisch an die jeweiligen Stromnetzbetreiber. In Zukunft soll auch eine Steuerung von Haushaltsgeräten möglich werden. Daraus ergeben sich neue Herausforderungen in Bezug auf Sicherheit und Datenschutz. Die hier vorliegende Arbeit bietet eine kurze Einführung in die Grundlagen zum Thema Smart Grid. Es wird eine Referenzarchitektur definiert und die einzelnen Bestandteile des Smart Grids werden vorgestellt. Eine Auseinandersetzung mit den rechtlichen und regulatorischen Rahmenbedingungen sowie ein Überblick über den Stand der Entwicklungen intelligenter Stromnetze, insbesondere der Verbreitung von Smart Metern, vervollständigt die Grundlagen. Zusätzlich werden wesentliche Aspekte von Sicherheit und Datenschutz angesprochen. Darauf aufbauend wird die Sicherheit in Smart Grids untersucht. Hierzu werden die Ursachen für Bedrohungen im Rahmen einer Bedrohungsanalyse anhand eines Szenarios analysiert. Abgeleitet von den Ergebnissen der Bedrohungsanalyse werden Risiken innerhalb einer Risikoanalyse evaluiert und Maßnahmen empfohlen, um die festgestellten Risiken zu bewältigenThe increased use of renewable energy sources, which are not constantly available and only limited storable complicate the management of power grids. Smart Grids allowing control of energy consumption depending on availability will be built up in order to adapt energy generation on the actual demand of energy. For this purpose existing power grids are extended by communications networks. Smart meters located at the customer are used to send data periodically to the respective power company via communication networks. For the future there are also plans to control household appliances. This results in new challenges in terms of security and privacy. The following thesis provides a brief introduction to the basics of smart grids. A reference architecture will be defined and individual components of the Smart Grid are presented. A discussion of the legal and regulatory framework as well as an overview about the the current state of development with already installed smart meters completes the Smart Grid basics. In addition, key aspects of security and privacy are addressed. On this basis the security of smart grids is investigated. For this purpose the causes of threats will be analyzed in a threat analysis based on a scenario. Derived from the findings of the threat analysis, risks are evaluated within a risk analysis. Finally measures are recommended to address the identified risks

Nutzerorientiertes Energiedatenmanagement

Energiedaten sind in der Regel sensible Daten, welche die Privatsphäre der betroffenen Personen gefährden können. In dieser Arbeit wird daher ein nutzerorientiertes Energiedatenmanagementsystem vorgestellt, welches nicht nur die technischen Anforderungen erfüllt, sondern auch den Ansprüchen an Datenschutz und Privatsphäre gerecht wird

Nutzerorientiertes Energiedatenmanagement

Die geschickte Erfassung und Nutzung von Energiedaten haben im Kontext der Energiewende das Potential, das zukünftige Energiesystem intelligenter und effizienter zu machen. Gleichzeitig muss jedoch eine Reihe technischer Herausforderungen beim Umgang mit Energiedaten bewältigt werden. Darüber hinaus sind Energiedaten oft personenbezogene Daten, welche die Privatsphäre der Dateneigner gefährden können. In dieser Dissertation wird daher ein Konzept für ein Energiedatenmanagementsystem vorgestellt, welches sowohl technische als auch nutzergetriebene Anforderungen erfüllt. Das System unterstützt die Dateneigner beim Schutz ihrer Privatsphäre, ohne jedoch die Nutzbarkeit der Daten im Sinne der betroffenen Personen zu stark einzuschränken. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden hierfür zunächst die Anforderungen erarbeitet, die ein Energiedatenmanagementsystem erfüllen sollte. Die Anforderungsanalyse gliedert sich in zwei Bereiche. Zum einen wird eine technische Datenlebenszyklusanalyse durchgeführt und zum anderen werden die Interessen der von der Energiedatenerfassung betroffenen Personen untersucht. Das Ergebnis ist ein Anforderungskatalog für Energiedatenmanagementsysteme. Darauf folgend wird ein modulares Energiedatenmanagementsystem entworfen, welches die Daten im Sinne der Dateneigner verwaltet und es diesen ermöglicht, feingranular über die Weitergabe ihrer Daten zu entscheiden. Nach der Spezifikation des Konzepts wird dieses im Rahmen eines Demonstrators prototypisch umgesetzt. An den Energiedaten interessierte Parteien können bei Verwendung eines solchen Systems nicht direkt auf die Daten zugreifen. Vielmehr wird ihnen die Möglichkeit geboten, Datenanfragen bei den Dateneignern einzureichen. Die Anfragen werden durch das Energiedatenmanagementsystem im Hinblick auf die potenzielle Gefährdung der Privatsphäre geprüft. Das System nimmt hierfür eine quantitative Bewertung des Gefährdungspotentials vor und präsentiert diese den betroffenen Personen sowohl in numerischer als auch in farblich codierter Form. Die Dateneigner können daraufhin über die Weitergabe der Daten in der angefragten Aussagekraft entscheiden. Insbesondere erlaubt das System den Dateneignern, die Aussagekraft der Daten auf ein für sie akzeptables Maß zu reduzieren. Dieser Vorgang erfolgt interaktiv durch Verhandlungen zwischen Dateneigner und -interessent. Eine tatsächliche Datenweitergabe erfolgt schließlich erst nach einer ausdrücklichen Zustimmung durch die betroffenen Personen und zu den vereinbarten Konditionen. Das entworfene Konzept wird im Hinblick auf den Anforderungskatalog evaluiert. Anschließend wird geprüft, ob das System in der Lage ist, für typische Anwendungsfälle die Datenbasis zu liefern und gleichzeitig die Privatsphäre der betroffenen Personen zu schützen

Nutzerorientiertes Energiedatenmanagement

Energy data often is critical data which can negatively affect users' privacy. Therefore, this work presents a user-oriented energy data management system which does not only comply with technical requirements but also lives up to users' demands in terms of privacy and data protection

Relying on storage or ICT? How to maintain low voltage grids' stability with an increasing feed-in of fluctuating renewable energy sources

Since the beginning of the new century our electricity system is changing rapidly. Distributed energy resources, such as wind or solar energies are becoming more and more important. These energies are producing fluctuating electricity, which is fed into low voltage distribution grids. The resulting volatility complicates the exact balancing of demand and supply. These changes can lead to distribution grid instabilities, damages of electronic devices or even power outages and might therefore end in deadweight losses affecting all electricity users. A concept to tackle this challenge is matching demand with supply in real-time, which is known as smart grids. In this study, we focus on two smart grids' key components: decentralized electricity storages and smart meters. The aim of this study is to provide new insights concerning the low diffusion of smart meters and decentralized electricity storages and to examine whether we are facing situations of positive externalities. During our study we conducted eight in-depth expert interviews. Our findings show that the diffusion of smart meters as well as decentralized electricity storages is widely seen as beneficial to society. This study identifies the most important stakeholders and various related private costs and benefits. As private benefits are numerous but widely distributed among distinct players, we argue that we face situations of positive externalities and thus societal desirable actions are omitted. We identify and discuss measures to foster diffusion of the two studied smart grid key components. Surprisingly, we find that direct interventions like subsidies are mostly not seen as appropriate even by experts from industries that would directly benefit from them. As the most important point, we identified well-designed and clearly defined regulatory and legal frameworks that are free of contradictions. --smart meter,decentralized electricity storage,smart grid,externality

Suffizienz als politische Praxis: ein Katalog

Wie lässt sich die Notwendigkeit der Suffizienz in der Breite der Bevölkerung einwurzeln? Da gibt es zunächst die Hoffnung auf einen kulturellen Wandel, in dem die immateriellen Werte des Lebens besser verstanden und höher geschätzt werden. Es gibt inzwischen viele Initiativen, suffizientes Leben und Wirtschaften in die Öffentlichkeit zu tragen, um für sie Aufmerksamkeit zu gewinnen und für sie zu werben. Auch lehrt inzwischen der Alltag Suffizienz. Da das tägliche Leben teurer geworden ist und weiterhin teurer werden wird, wächst auch die Einsicht in Grenzen des Konsums, zusammen mit der Erfahrung, dass maßvoller Genuss die Lebensfreude nicht schmälert. Der hier zusammengestellte Katalog von Suffizienzpolitiken ist nicht nach Sachgebieten aufgebaut, sondern nach Eingriffstiefe und vermutlicher Akzeptanz der Maßnahmen. Im ersten Abschnitt stehen Politiken, die wohl die Zustimmung des größten Teils der Bevölkerung finden werden, weil sie ihr Leben erleichtern oder jedenfalls nicht beschweren werden. Ihr Ertrag für den Klimaschutz und die Ressourcenschonung ist freilich begrenzt. Der zweite Teil enthält Politiken, die Umstellungen und neues Nachdenken erfordern, die einen spürbaren Eingriff in das Gängige und so gern Gewählte bedeuten, für die Routinen gewechselt und neue Gewohnheiten gefunden werden müssen, die aber keinen tief greifenden Wandel der Lebensweise erfordern. Ihr Beitrag zum Erhalt der Natur fällt durchaus ins Gewicht. Im dritten Teil stehen die Politiken, die in das gewohnte Leben und Wirtschaften eingreifen, die ein gründliches Umdenken und die auch Verzichte fordern. Dafür leisten sie einen entscheidenden Beitrag zum Schutz der natürlichen Lebensgrundlagen. Die hier vorgestellten 30 Politiken sind keine erschöpfende Aufstellung. Es sind Beispiele, Stellvertreter, ein Strauß von Möglichkeiten sehr unterschiedlicher Reichweite

Optimierung von Verfahren zur Lösung rechtsrelevanter Wissensprobleme in kritischen Infrastrukturen : Befunde im Smart Grid und technikrechtliche Empfehlungen

Die Arbeit befasst sich mit dem vielschichtigen Interessenausgleich sowie der technikrechtlichen Regulierung an der Schnittstelle von Energiewirtschaftsrecht und Datenschutzrecht. Im Smart Grid wird für die Optimierung von Regulierungswissen ein Verfahren der Bundesnetzagentur vorgeschlagen. Durch dessen Anreicherung um Aspekte der datenschutzkonformen Technikgestaltung kann eine Komplexitätsreduzierung auch durch Visualisierung - angelehnt an das Bau- und Planungsrecht - erreicht werden

Moderne Stromnetze als Schlüsselelement einer nachhaltigen Energieversorgung. Endbericht zum TA-Projekt

Gegenwärtig befindet sich das deutsche Energiesystem in einem Umbruchprozess historischen Ausmaßes. Bis 2030 sollen erneuerbare Energien etwa die Hälfte und bis 2050 mindestens 80 % des Strombedarfs decken. Dies stellt teilweise völlig neue Anforderungen an die Stromnetze, sodass aktuell ein erheblicher Handlungsdruck erwachsen ist, die Netze aus- bzw. umzubauen sowie neue Betriebskonzepte zu entwickeln, damit eine zuverlässige und sichere Stromversorgung auch weiterhin gewährleistet werden kann. Der TAB-Bericht gibt einen breiten Überblick über den Stand des Wissens und der Diskussion zu vielen der mit dem Aus- und Umbau der Stromnetze verbundenen Fragestellungen. Dazu gehören neben dem Umfang des Aus- und Umbaubedarfs die Identifikation von modernen Technologien und Betriebsweisen für Stromnetze sowie die Beschreibung ihres Entwicklungsstands bzw. Forschungs- und Entwicklungsbedarfs. Da eine Fokussierung allein auf technologische Aspekte zu kurz greifen würde, wurde eine Reihe weiterer relevanter Einflussfaktoren und Themenbereiche in den Blick genommen. Dies betrifft zum einen ökonomische Aspekte, u. a. die Kosten und Nutzen des Einsatzes bestimmter Technologien, beispielsweise von sogenannten Smart Metern. Zum anderen werden aber auch Dimensionen der Folgewirkungen in den Blick genommen, insbesondere Datenschutzfragen in modernen Stromnetzen, die mehr und mehr mit Informationsnetzen verschmelzen (Smart Grid), sowie mögliche Auswirkungen auf die Umwelt bzw. die Gesundheit. Last but not least werden Fragen der öffentlichen Beteiligung und der Akzeptanz des Baus von Stromtrassen thematisiert, die in letzter Zeit enorm an Bedeutung gewonnen haben. INHALT ZUSAMMENFASSUNG 9 I. EINLEITUNG 25 II. STROMNETZE UND STROMVERSORGUNG IN DEUTSCHLAND 33 1. Systemdienstleistungen 36 2. Trends und Treiber für die zukünftige Entwicklung der Netze 39 3. Smart Grid 41 4. Stromnetz im Verhältnis zu anderen Flexibilisierungsoptionen 47 III. AUS- UND UMBAUBEDARF DER STROMNETZE 49 1. Übertragungnetze 49 1.1 Kritik am Verfahren 52 1.2 Kritik an Annahmen und Ergebnissen 57 1.3 Schlussfolgerungen, diskutierte Lösungsvorschläge 59 2. Verteilnetze 61 3. Auswirkungen eines verzögerten Netzausbaus 68 IV. MODERNE TECHNOLOGIEN UND BETRIEBSWEISEN FÜR STROMNETZE 71 1. Übertragungsnetze 71 1.1 Freileitungsmonitoring 71 1.2 Hochtemperaturleiterseile 72 1.3 Erhöhung der Übertragungsspannung 73 1.4 Leistungselektronik zur Steuerung von Lastflüssen 73 1.5 Wide Area Monitoring Systems 74 1.6 Erdkabel 76 1.7 Phasenschiebertransformatoren 78 1.8 Hochspannungsgleichstromübertragung 79 1.9 Supraleitende Komponenten 81 1.10 Gesamtübersicht der Technologien und Verfahren 82 2. Verteilnetze 84 2.1 Regelbare Ortsnetztransformatoren 84 2.2 Einspeisenetze 86 2.3 Hochtemperatursupraleiterkabel 87 2.4 Technologien zur dezentralen Bereitstellung von Systemdienstleistungen 88 2.5 Sensorik im Netz/Automatisierung 90 3. Smart Meter 91 3.1 Warum Smart Meter? 92 3.2 Ordnungsrahmen 95 3.3 Kosten-Nutzen-Analyse 96 3.4 Ländervergleich 101 3.5 Datenschutz und Datensicherheit bei Smart Meter 102 V. ZUKUNFTSSZENARIEN FÜR DAS STROMNETZ 109 1. Europäisches Supergrid 109 2. Die Szenarien des Umweltbundesamtes 112 2.1 Szenario »International Grosstechnik« 113 2.2 Szenario »Regionenverbund« 113 2.3 Szenario »Lokal autark« 115 3. Betrieb des Stromnetzes in regionalen Zellen 117 3.1 Definition und Abgrenzung 118 3.2 Funktionalität und technische Umsetzung 119 3.3 Mögliche technische Varianten 121 3.4 Bewertung 123 3.5 Möglicher Regelungsbedarf 131 3.6 Fazit 134 4. Digital Grid 135 VI. ZUVERLÄSSIGKEIT UND SICHERHEIT 137 1. Kosten von Stromausfällen 138 2. Versorgungsqualität 141 2.1 Smart Grid: »safety« und »security« 144 2.2 Qualität der Stromversorgung als Produktmerkmal 151 VII. UMWELT- UND GESUNDHEITSAUSWIRKUNGEN 153 1. Auswirkungen auf die Umwelt 153 1.1 Freileitungen 154 1.2 Erdleitungen 161 1.3 Elektromagnetische Felder durch Freileitungen, Erdkabel und gasisolierte Leitungen 166 1.4 Fazit 171 2. Mögliche Risiken für die Gesundheit 171 2.1 Allgemeines zu Feldwirkungen und Grenzwerten 172 2.2 Wirkmodelle und Bewertung von Evidenz 173 2.3 Wissenschaftliche Bestandsaufnahme und Bewertung biologischer Wirkungen 180 2.4 Grenzwertdiskussion 186 2.5 Forschungsbedarf 192 2.6 Strategien der Risikobewertung und des Risikomanagements 192 2.7 Fazit 193 VIII. AKZEPTANZ DES STROMNETZAUSBAUS 195 1. Konfliktfelder beim Netzausbau 196 2. Öffentliche Wahrnehmung und das Beteiligungsparadoxon 197 3. Bürgerbeteiligung bei der Planung des Netzausbaus 198 4. Erfolgsfaktoren für Bürgerbeteiligungsverfahren 201 5. Fazit 203 LITERATUR 205 1. In Auftrag gegebene Gutachten 205 2. Weitere Literatur 205 ANHANG 229 1. Tabellenverzeichnis 229 2. Abbildungsverzeichnis 23