Institute und Partner
Die Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in Deutschland ist die weltweit führende Organisation für anwendungsorientierte Forschung. Die 1949 gegründete Organisation betreibt in Deutschland derzeit 76 Institute und Forschungseinrichtungen. Mehr als 30 000 Mitarbeitende, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 2,9 Milliarden Euro. Davon fallen 2,5 Milliarden Euro auf den Bereich Vertragsforschung.
Institutsexpertise
Das Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut, EMI, befasst sich mit der Physik, Ingenieurwissenschaft und Informatik schnell ablaufender Prozesse in Experiment und Simulation. Es bietet Lösungen für industrielle Anwendungen mit dem Fokus auf Zuverlässigkeit, Sicherheit, Resilienz, Effizienz und Nachhaltigkeit. In diesem Zusammenhang werden im Geschäftsfeld Sicherheit und Resilienz Technologien, Methoden und Ideen entwickelt, um unsere Gesellschaft und deren Infrastruktur nicht nur sicher, sondern »resilient« zu gestalten. Resiliente Systeme sind nicht nur sehr widerstandsfähig, sondern auch lernfähig und adaptiv. Sie können Bedrohungen zudem antizipieren und oftmals verhindern, dass es zu einem widrigen Ereignis kommt. Mit der acatech Studie Im Rahmen dieser Studien werden aktuell die bisherigen Methoden und Werkzeuge der klassischen Risikoanalyse am Fraunhofer EMI im Hinblick auf das Thema Resilienz weiterentwickelt. Hier stehen Fragen nach geeigneten Indikatoren zur Messung von Resilienz und den richtigen Algorithmen, um ein derart komplexes Konzept methodisch erfassen zu können, im Fokus. Es ist hier wichtig, das Verhalten des Systems im Störfall und dessen Konsequenzen simulieren und damit prognostizieren zu können, wozu im Rahmen der Modellbildung sowohl Eintrittswahrscheinlichkeit als auch Schadensausmaß der zu betrachtenden Szenarien quantitativ erfasst werden müssen. Mithilfe passgenau entwickelter Software-Tools können darauf aufbauend auch die Auswirkungen von Recovery-Maßnahmen quantifiziert werden.
Institutsperspektive auf RESIST
Das Stromnetz in Deutschland durchlebt aktuell fundamentale Umbrüche. War die Stromversorgung lange durch (wenige fossile) Großkraftwerke sichergestellt, erleben wir durch die Energiewende nun einen Übergang zu einer stark dezentralisierten Versorgung. Zusätzlich wird das Stromnetz durch die fortschreitende Digitalisierung immer vernetzter und es ist zu erwarten, dass der Klimawandel das Auftreten von Extremwetterereignissen signifikant erhöht. Im Rahmen all dieser Entwicklungen ist es herausfordernd aber unabdingbar das Stromnetz resilient umzugestalten, um Ausfällen, welche Menschen, Unternehmen und Lieferketten elementar in Mitleidenschaft ziehen, vorzubeugen. Im Rahmen des Projekts RESIST bringt das Fraunhofer EMI seine Expertise im Bereich der Resilienzanalyse ein. Sowohl die angesprochene Dezentralisierung als auch die zunehmende Vernetzung innerhalb des Stromnetzes machen es erforderlich eine umfassende Resilienzdefinition zu finden, die alle Aspekte des Stromnetzes abbildet. Hierzu werden eigene Recherchen und die verschiedenen Expertisen der Partnerinstitute verknüpft, um Key Performance Indicators zu finden, die die Systemresilienz vor, während und nach einem Störereignis quantitativ abbilden. Auf diese Weise sollen Netzakteure, wie z.B. Netzbetreiber, in die Lage versetzt werden den Systemzustand schnell zu erfassen um passende Handlungen ableiten zu können. Darüber hinaus entwickelt das Fraunhofer EMI Systemmodelle, um diese Key Performance Indicators simulativ prognostizieren zu können.
Intitutsexpertise
Die Forschung des Fraunhofer IEE in Kassel unterstützt die Transformation der Energiesysteme. Es entwickelt hierbei Lösungen für technische und wirtschaftliche Herausforderungen, um die Kosten der Nutzung erneuerbarer Energien weiter zu senken, die Versorgung trotz volatiler Erzeugung zu sichern, die Netzstabilität auf hohem Niveau zu gewährleisten und die Energiewende zu einem wirtschaftlichen Erfolg zu führen.
Die in dem Projekt eingebrachten Kompetenzen umfassen ein weites Spektrum von der Netzplanung über den Netzwiederaufbau bis hin zur sicheren Gestaltung und Simulation von IKT-Strukturen für Netzbetriebssysteme.
Perspektive auf RESIST
Expertise Versorgungssicherheit, Notversorgungsinseln
In diesem Bereich beschäftigt sich das IEE mit der Einrichtung lokaler Notversorgungsinseln, die erneuerbare Energie zur Überbrückung von länger andauernden Stromausfällen nutzen. Wichtige Aspekte an dieser Stelle sind das Erkennen von Fehlern im vorgelagerten Netz, das Konzept der landwirtschaftlichen Versorgungsinsel und technische Machbarkeitsstudien.
Expertise Netzstabilität, Dynamic Stability Assessment
Dieser Bereich umfasst die Entwicklung eines Tools zur Resilienz-Bewertung und -Sicherstellung mit dem Fokus auf transiente Stabilität. Die Untersuchungen im Rahmen von Resist betreffen die Entwicklung und Implementierung von stabilisierenden Maßnahmen zur Erhöhung der Resilienz des Systems gegenüber Störfällen und die Demonstration in einer Simulationsumgebung.
Expertise Netzplanungstool
Die Arbeit im Rahmen von Resist zielt hier auf die Weiterentwicklung bestehender Netzplanungs-Werkzeuge über übliche Netzplanungs-Aufgaben hinaus, indem Resilienz-Aspekte integriert werden. Dabei liegt der Fokus insbesondere auf der Berücksichtigung der Performanz des Netzes unter Extremereignissen wie dem Ausfall mehrerer Netzbetriebsmittel oder dem Abbrechen von Kommunikationsverbindungen.
Expertise Virtual Power Plant (VPP), Cybersecurity
Dieser Bereich beschäftigt sich in Resist mit der Weiterentwicklung von IKT-Strukturen für den Betrieb von virtuellen Kraftwerken. Insbesondere die Themenfeldern Kubernetes und Microservices werden betrachtet.
Institutsexpertise
Das Fraunhofer IEG wurde im Dezember 2019 gegründet mit dem Anspruch die klimafreundlichen Energiesysteme der Zukunft zu gestalten.
Der Geschäftsbereich »Integrierte Planung von Infrastrukturen, Quartieren & Gebäuden« versteht Infrastruktur als kritischen Eckpfeiler der Energiewende. Mit den Competence Centern »Integrierte Energieinfrastrukturen«, »Integrierte Quartiersplanung«, »Integrierte Gebäudeenergietechnik« und »Geschäftsmodelle der Systemtransformation und Technologietransfer« widmen wir uns allen Infrastrukturen, von der europäischen Transportnetze für Strom, Erdgas und Wasserstoff bis hin zur Berechnung kommunaler Verteilnetze.
Institutsperspektive auf RESIST
Im Projekt RESIST untersucht das Fraunhofer IEG die Resilienz von Stromverteilnetzen mit einem hohen Anteil an flexiblen Verbrauchern. Hier stehen vor allem die Wärmepumpen und Speichersysteme im Fokus und die Möglichkeiten ihre Flexibilität hinsichtlich von variablen Strompreiszeitreihen zu nutzen. Diese Nutzung erfordert unter anderem eine IKT-Infrastruktur. Es bleibt nun zu untersuchen, wie optimierte Flexibilitäten sich verhalten, wenn die Netz- oder IKT Struktur gestört ist. Wie sollte die Regelung solcher Anlagen aussehen, wenn man sie vorbeugend oder auch akut im Notfall zur Erhöhung der Resilienz im Netz nutzen möchte?
Institutsexpertise
Die Energieversorgung in Deutschland und in ganz Europa steht vor großen Herausforderungen: Der rasante Ausbau der erneuerbaren Energien ist dabei nur ein Aspekt, der bei dieser Transformation der Energiesysteme Beachtung findet. Energieeffizienz, sowie Themen aus den Bereichen Elektromobilität, Lastflussanalyse, Prognosen, virtuelle Kraftwerke und Energiespeicher gewinnen mehr und mehr an Bedeutung. In über 20 Jahren hat sich das Fraunhofer IOSB-AST durch zahlreiche Projekte umfangreiche Kenntnisse auf diesen Gebieten angeeignet.
Das Fraunhofer IOSB-AST forscht an neuen kybernetischen Methoden und Verfahren zur optimalen Steuerung und Führung komplexer Systeme und überführt diese in innovative Betriebsführungsapplikationen. Mit umfassender Laborausstattung können sehr variabel Phänomene in den Strukturen der Energieversorgung nachgebildet und untersucht werden. Darauf aufbauend wurde in verschiedenen Projekten Know-How in der Virtualisierung von OT Infrastrukturen aufgebaut und anhand von ersten Nachbildungen gekoppelt mit der Energienetzsimulation demonstriert.
Durch das „Lernlabor Cybersicherheit für die Energie- und Wasserversorgung“ wird das Forschungswissen über Schulungsformate in die Industrie überführt. Neben diesen Mitarbeiterschulungen bietet das Fraunhofer IOSB-AST verschiedene F&E-Dienstleistungen zum Thema IT-Sicherheit in Firmen, kommunalen oder öffentlichen Einrichtungen sowie im Umfeld kritischer Infrastrukturen an. Dies betrifft u.a. den Einsatz von KI-Verfahren zur Online-Klassifikation physikalischer Anomalien bzw. Fehlerzustände im Netz sowie deren Erweiterung um Methoden zur Analyse von Netzwerkpaketen.
Institutsperspektive auf RESIST
Der Wandel der Energieversorgung hin zu einem stark dezentralisierten und vernetzen System eröffnet viele Potenziale, birgt aber auch große Gefahren. Gestiegene Abhängigkeiten und Wechselwirkungen lassen das Energieversorgungssystem verwundbarer werden, unabhängig davon, ob es sich um eine technische Störung, ein schwerwiegendes Wetterereignis oder einen gezielten IT-Angriff handelt. Es besteht die große Herausforderung das Energieversorgungssystem widerstandsfähig und resilient zu gestalten. Der erste Schritt für bestehende Systemverbünde stellt hier die gezielte Zustandsüberwachung dar, indem Hinweise auf Störungen und deren Auswirkungen gesammelt und analysiert werden.
Das in dem Projekt RESIST zu entwickelnde Resilienz-Monitoring bietet einem Netzbetreiber die Möglichkeit sein Systemzustand anhand definierter Resilienz-Metriken besser zu bewerten und Handlungen ableiten zu können.
Neben den physischen Störereignissen steht für das Fraunhofer IOSB-AST besonders der Aspekt der IT-Sicherheit im Vordergrund und der Entwicklung hin zur Cyber-Resilienz von Systemen. Der Anwendungsfall der Digitalen Umspannwerke wird innerhalb vom Projekt RESIST dediziert analysiert und Kriterien der Cyber-Resilienz aufgestellt und bewertet, da die Durchdringung mit Kommunikationssystemen zu einer exponierten Abhängigkeit des Prozesses vom Kommunikationsnetz führt. Um der gestiegenen Verwundbarkeit entgegenzutreten ist ein Monitoring mit Zustands- und Kommunikationsinformationen in den Digitalen Umspannwerken essenziell und wird vordergründig vom Fraunhofer IOSB-AST erforscht und entwickelt.
Institutsexpertise
Mit knapp 1400 Mitarbeitern ist das in Freiburg angesiedelte Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE das größte europäische Solarforschungsinstitut. Das Fraunhofer ISE setzt sich für ein nachhaltiges, wirtschaftliches, sicheres und sozial gerechtes Energieversorgungssystem auf der Basis erneuerbarer Energien ein. Im Rahmen der Forschungsschwerpunkte Energieeffizienz, Energiegewinnung, Energieverteilung und Energiespeicherung schafft es technische Voraussetzungen für eine effiziente und umweltfreundliche Energieversorgung sowohl in Industrie- als auch in Schwellen- und Entwicklungsländern. Hierzu entwickelt das Institut Materialien, Komponenten, Systeme und Verfahren in insgesamt fünf Geschäftsfeldern. Eine Besonderheit des Fraunhofer ISE ist seine hervorragende technische Infrastruktur, die sich derzeit in acht Laborzentren sowie vier produktionsnahe Technologie-Evaluationszentren gliedert. Darüber hinaus verfügt das Institut über mehrere akkreditierte Testzentren.
Innerhalb des Geschäftsbereichs „Leistungselektronik, Netze und intelligente Systeme“ beschäftigen sich die Abteilungen „Leistungselektronik und Netzintegration“ und “Intelligente Netze” u. a. mit der Entwicklung, Simulation und dem Test von Umrichtersystemen und der Implementierung von erneuerbaren Energien in netzgekoppelten Anwendungen. Besondere Kompetenzen liegen in der Hardwareentwicklung, der Regelung von Umrichtern sowie der messtechnischen und simulativen Untersuchung der dynamischen Interaktion zwischen Umrichtern und dem Verbundnetz. Bereits seit einigen Jahren befasst sich das Fraunhofer ISE verstärkt mit den Themen der Zuverlässigkeit und Lebensdauer im Rahmen von Felddatenanalysen, Feldmessungen und Dauertests von PV-Wechselrichtern. Das Fraunhofer ISE ist nach DIN EN ISO 9001:2015 zertifiziert und betreibt das nach DIN EN ISO/IEC 17025:2018 akkreditierte Prüflabor „TestLab Power Electronics“. Wir betreiben mit dem Digital Grid Lab (www.digital-grid-lab.com) ein modernes Power Hardware-in-the-Loop Labor. Mit mehr als 20 Jahren praktischer Erfahrung in der Praxis bieten die Experten umfassendes Wissen über Energiesysteme, intelligente Netze und deren Vernetzung mittels Informations- und Kommunikationstechnik.
Institutsperspektive auf RESIST
Um die Resilienz des Stromnetzes bei Großstörungen zu erhöhen wird der Einsatz von netzbildenden Wechselrichtern im Verteilnetz untersucht. Diese sollen einerseits der Reduktion der Systemträgheit entgegenwirken und andererseits die Bildung von lokalen Netzinseln ermöglichen. Hierfür wird der im Projekt NETfficient (www.ise.fraunhofer.de/de/forschungsprojekte/netfficient.html) entwickelte 1 MVA Batteriewechselrichter mit einer netzbildenden Regelung ausgestattet. Diese wird im Kontext des Digital Grid Lab (www.digital-grid-lab.de) in Hardware-in-the-Loop (HIL) Tests untersucht. Dazu wird ein Höchst- und Mittelspannungsnetz in der Simulationsumgebung des echtzeitfähigen HIL Computers modelliert und die resiliente Wechselrichterregelung als Hardware implementiert. Durch die Berechnung verschiedener Störfälle können die resilienten Eigenschaften der Wechselrichterregelung analysiert und validiert werden. Besonderer Fokus liegt dabei auf einer stabilen Inselnetzbildung des Mittelspannungsnetzes, welche durch den resilienten Wechselrichter ermöglicht wird.
Ein weiterer Teilaspekt des Projekts liegt darin, die Kommunikation und Steuerung des netzbildenden Wechselrichters möglichst einfach, wiederverwertbar und robust zu gestalten. Die Schnittstelle zur Übertragung von Messwerten und Alerts sowie Stellbefehlen wird daher das IEC 61850 MMS-Protokoll verwenden und sich stark an den Funktionen der FNN-Steuerbox orientieren. Dabei wird das Open-Source-Framework OpenMUC (www.openmuc.org) verwendet.
