Stromnetz: Wie man einen Blackout herbeiführen kann
Auf dem Hackerkongress 32C3 in Hamburg hat der Wirtschaftsingenieur Mathias Dalheimer in einem Vortrag erklärt(öffnet im neuen Fenster) , wie man einen Blackout im Stromnetz herbeiführen kann – und warum das dann doch nicht so einfach ist, wie in Filmen gezeigt. Der Vortrag erinnerte eher an eine universitäre Vorlesung als an wilde Hackerphantasien und erklärte zahlreiche Zusammenhänge des Stromnetzes.
Zu Beginn zitierte Dalheimer aus einer Studie, die das Büro für Technikfolgeabschätzung des Bundestages (TAB)(öffnet im neuen Fenster) vor einigen Jahren veröffentlicht hat. Darin wurde untersucht, wie sich ein andauernder Stromausfall auf Deutschland auswirken würde. Nach rund fünf Tagen würden hierzulande bürgerkriegsähnliche Zustände herrschen, fasst Dalheimer die Studie zusammen. Diese Aussage veranlasste einen der Zuhörer zu einem Jubelschrei, warum auch immer.
Grundsätzlich sei es möglich, einen Ausfall des Stromnetzes herbeizuführen, sagte Dalheimer. Dafür müsste die im Netz vorherrschende Frequenz von 50 Hz entweder nach oben oder nach unten manipuliert werden – in einer sehr kurzen Zeitspanne. Grundsätzlich muss die verbrauchte Leistung im Netz immer der erzeugten Leistung entsprechen. Abweichungen davon führten zu Schwankungen der Standard-Netzfrequenz von 50 Hz und gefährdeten die Stabilität des Haushaltes. Die Komponenten des Stromnetzes sind nach dem N-1-Prinzip abgesichert. Fällt eine Komponente aus, müssen die verbleibenden Komponenten die Last weiterhin tragen können, beziehungsweise den Ausfall kompensieren.
Für einen Angriff müssten daher entweder große Kapazitäten vom Netz genommen werden, also viele große Kraftwerke auf einmal, oder aber viele große Verbraucher schlagartig abgeschaltet werden. Einen Ausfall von zwei AKW-Blöcken unter Volllast könnte das Europäische Verbundnetz in aller Regel ohne Probleme verkraften. Großverbraucher, die genügend Leistung ziehen, um einen Ausfall herbeizuführen, könnten zum Beispiel große Stahlkochwerke sein.
Smart-Meter-Gateways sind nur theoretisch gefährlich
Auch mit einer Manipulation von Smart-Meter-Gateways könnten viele Verbraucher abgeschaltet werden, sagte Dalheimer – zumindest theorisch. Dies sei in Deutschland aber wegen der kaum vorhandenen Verbreitung und auf Grund der Tatsache, dass darüber eher einzelne Haushaltsgeräte als ganze Haushalte abgeschaltet werden könnten, keine realistische Option. In anderen europäischen Ländern sei dies aber vorstellbar.
Das Stromnetz selbst angreifen
Noch wesentlich geeigneter zum Herbeiführen eines Blackouts sei ein Angriff auf das Stromnetz selbst. Einerseits könnten Umspannwerke angegriffen werden, indem darüber Graphitstaub abgeworfen werde. Dies würde zu einem Kurzschluss im Höchstspannungsnetz führen und Instabilitäten auslösen. Außerdem könnte die physische Infrastruktur angegriffen werden, also etwa die Übertragungsleitungen. Hier zitierte Dalheimer das Beispiel der Abschaltung einer Höchstspannungsleitung im Weser-Ems-Gebiet, als die Meyer-Werft aus Papenburg ein neues Schiff überführte. Die Leitung wurde vom Betreiber Eon planmäßig abgeschaltet, durch einen Fehler bei der Berechnung der benötigten Ersatzkapazitäten kam es danach jedoch zu Instabilitäten im Stromnetz. Das Europäische Verbundnetz zerfiel in der Folge in mehrere Einzelnetze, die jeweils eigene Frequenzen aufwiesen. Die Techniker benötigten in der Folge mehrere Stunden, um die Netze wieder ordnungsgemäß zusammenzuschalten.
Problematisch waren dabei unter anderem die Windkraftanlagen an der Nordsee. Denn diese schalteten sich bei der Erhöhung der Netzfrequenz automatisch ab, was dann im ohnehin instabilen Stromnetz zu weiteren Problemen und einem Frequenzabfall führte. Als die Frequenz niedrig war, liefen die Windräder mit voller Kraft wieder an und führten erneut zu einem sprunghaften Anstieg.
Dalheimer trat zu Beginn seines Vortrages jedoch der allgemeinen Annahme entgegen, dass erneuerbare Energien, die schon bis zu 30 Prozent der deutschen Energieversorgung stellen, das Stromnetz per se instabiler und unsicherer machten. Tatsächlich gebe es einige Herausforderungen, die aber in neuen Solarzellen und Windrädern mittlerweile weitgehend gelöst seien.
Erneuerbare Energien werden stabiler
Neue Anlagen seien in der Lage, die Einspeisung der Leistung so zu regulieren, dass diese im Netz graduell ankomme und nicht auf einen Schlag. Ein wichtiges Merkmal, das hilft, das Stromnetz stabiler zu machen, fehlt den Anlagen jedoch. Mit der sogenannten Momentanreserve können klassische, turbinenbasierte Kraftwerke zu einer Stabilisierung des Netzes beitragen. Die großen, oft mehr als 20 Tonnen wiegenden Turbinen laufen europaweit mit derselben Frequenz. Tritt eine Störung auf, kann die gespeicherte Rotationsenergie genutzt werden, um Ungleichgewichte im Netz aufzufangen. Außerdem gibt es einen von der Momentanreserve unabhängigen Netzselbstregeleffekt, der durch eine automatische Leistunganpassung verschiedener Verbraucher Störungen von etwa einem Prozent der Netzkapazität mit auffangen kann.
Eine weitere Sicherheitsmaßnahme ist die sogenannte Primärregelung. Viele große Kraftwerke halten einen Teil der eigenen Kapazität als Reserve bereit, um im Notfall innerhalb sehr kurzer Zeit mehr Energie ins Netz einspeisen zu können. Die Richtlinien verlangen hier eine Nachregelung innerhalb von nur 30 Sekunden.
Auch der Stromhandel bereitet Probleme
Eine neue Quelle der Instabilität im Stromnetz ist Dalheimer zufolge der zunehmende Stromhandel. Die Pakete werden in 15-Minuten-Paketen gehandelt, aus diesem Grund kommt es in diesem Rhythmus zu leichten Schwankungen der Frequenz. Wer einen Angriff durchführen wollte, könnte genau diese Momente der kleinen Instabilität abpassen, so Dalheimer in seinem Vortrag.
Die Einschätzungen Dalheimers basieren auf zwei Datenquellen. Zum einen hat der Wissenschaftler mithilfe des Informationsfreiheitsgesetzes eine Datenbank angefordert, in der die Bundesnetzagentur alle meldepflichtigen Vorfälle einträgt. Meldepflichtig sind Stromausfälle, die länger als drei Minuten andauern. Die Daten werden in einer SQL-Datenbank gespeichert, die offenbar Probleme mit dem UTF-8-Encoding hat, denn in den Daten tauchen zahlreiche Fragezeichen auf, wo eigentlich Umlaute stehen müssen. Außerdem gibt es offenbar Probleme bei der Kontrolle eingegebener Werte. Einige Datensätze seien mit dem Argument "Bitte Ausfallgrund auswählen" abgespeichert. Bislang hat Dalheimer nur Teile der Ergebnisse erhalten und daher ein Widerspruchsverfahren eröffnet. Der Stand der Anfragen findet sich bei Frag den Staat.
Selbst die Frequenz messen
Eine andere Quelle für seinen Datensatz sind eigene Messergebnisse. Auf Basis eines Raspberry-Pi hat Dalheimer sich ein Messgerät gebastelt, mit dem er kontinuierlich die aktuelle Frequenz im Stromnetz misst. Mittlerweile hat er Daten aus mehr als anderthalb Jahren aufgezeichnet. Meistens schwankt die Frequenz minimal, etwa im Bereich von 50 mHz. Auf der Webseite des Netzsinus-Projekts stellt er Baupläne und andere Informationen rund um das Projekt zur Verfügung. Wer an dem Projekt mitwirken will, kann sich bei Dalheimer melden. Er zitierte Messergebnisse, die er während einer Schnellabschaltung des AKW Grafenrheinfeld aufgezeichnet hatte. "Für meine Daten könnte ich noch mehr solche Schnellabschaltungen gebrauchen."
Um die Risiken zu minimieren, wünscht Dalheimer sich autonom agierende, verbundene Zellen im Stromnetz. Diese Einheiten könnten zum Beispiel Städte oder bestimmte große Verbraucher sein. Außerdem würden die derzeit entwickelten Stabilisierungsmechanismen nur im Höchstspannungsnetz greifen, durch Solaranlagen würde aber mittlerweile auch im Hochspannungsnetz Energie eingespeist werden – daher bräuchte es neue Sicherheitsmechanismen. Mit den lokalen, kleineren Kraftwerken könnte außerdem eine stärkere Dezentralisierung betrieben werden, so dass es weniger Angriffsfläche geben würde.
Auf eine entsprechende Frage aus dem Publikum antwortete Dalheimer, er habe keine Notvorräte angelegt. Weder Kerzen, noch Ravioli oder Mate befänden sich in seinem Keller. Katastrophenschützer empfehlen für den Katastrophenfall im Übrigen ein einfaches, aber sehr wirkungsvolles Gerät im Besitz zu haben: ein Radio mit Kurbelantrieb.
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