Schutz von Wasserkraftwerken vor Cyberangriffen

Als weltweit größte Quelle für erneuerbare Energie spielt Wasserkraft eine wesentliche Rolle für die Netzstabilität. Während Solarenergie darauf angewiesen ist, dass die Sonne scheint, und Windturbinen davon abhängen, dass der Wind bläst, können Wasserkraftturbinen (meist) nach Belieben ein- und abgeschaltet werden. Wasserkraft wird häufig zur Speicherung von elektrischer Energie in großem Maßstab genutzt, sog. Pumpspeicherung, und kann so die Leistungsschwankungen von Wind- und Solarenergie im Netz ausgleichen.

Ihr Nutzen zum Erreichen des Netto-Null-Ziels ist belegt, doch veraltete Infrastrukturen, unvorhersehbares Wettergeschehen und sich ständig ändernde regulatorische Anforderungen sind nur einige der Herausforderungen, mit denen sie konfrontiert ist. Die Digitalisierung und neue Technologien wie künstliche Intelligenz (KI) tragen dazu bei, einige dieser Probleme zu lösen, indem Funktionen automatisiert, wichtige Daten gesammelt und analysiert und optimale Zeitplanung hinsichtlich Energieproduktion und Anlagenwartung ermöglicht werden.

Die Nutzung von KI im Energiesektor ist zweifelsohne auf dem Vormarsch. Den Schätzungen einer Studie zufolge könnte sich ihr Wert auf bis zu 13 Mrd. USD belaufen. Im Hinblick auf Wasserkraft bietet KI bei zwei der wichtigsten Aufgaben große Vorteile: Wassermanagement und Anlagenwartung. Bisher basierte die Bewirtschaftung der Wasservorkommen zur Deckung des Energiebedarfs überwiegend darauf, historische Daten zu Wettergeschehen, wie Regen und Schneeschmelze, mit der Vorhersage zukünftiger zu verbinden. Wartungsarbeiten folgen gewöhnlich einem bestimmten Zyklus, was bedeutet, dass unerwartete Betriebsstörungen oder ineffiziente Geräte ein Risiko für eine zuverlässige Energieproduktion darstellen.

Die Digitalisierung ändert dies, indem sie dafür sorgt, dass Wasserkraftwerke nicht mehr reaktiv, sondern proaktiv agieren, sie in der Lage sind, Probleme zu antizipieren bevor sie eintreten, und indem sie Betriebsabläufe optimiert, um die Effizienz zu erhöhen, wodurch mehr Energie aus dem vorhandenen Wasser erzeugt werden kann. Ein intelligentes Wasserkraftwerk ist also ein Werk, das Innovationen wie KI, Virtual Reality, das Internet der Dinge (IoT) und Big Data nutzt, um seine Abläufe und Sicherheit zu verbessern. Es nutzt intelligente elektronische Geräte und intelligente Anlagen zur Automatisierung, Analyse, Entscheidungsfindung, zum Informationsaustausch und zur Integration anderer intelligenter Anwendungen.

Intelligente Technologien können außerdem die sich ständig ändernden regulatorischen Anforderungen berücksichtigen und dazu beitragen, die Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren. Im Hinblick auf die Verfügbarkeit von Wasser kann KI beispielsweise auf einen großen Datenbestand zu früheren Wettergeschehen und Stauspiegeln zurückgreifen, um genauere Vorhersagen zum zukünftigen Wasserfluss zu machen, wodurch unnötiger Wasserverlust vermieden wird. Die Informationen können dazu genutzt werden, sicherzustellen, dass Wasser möglichst energieeffizient im Wasserkraftwerk verteilt wird.

Fortschrittliche Sensortechnologien, die an Wasserturbinen angebracht sind, ermöglichen ihre Überwachung in Echtzeit. Diese Daten können dann in einen KI-Algorithmus eingegeben werden, um mögliche Funktionsstörungen besser vorherzusagen, wodurch das Risiko von Ausfällen reduziert wird. Die Daten können außerdem mit Informationen über Marktpreise für Strom oder Einspeisetarife zusammengeführt werden, um das Timing für Wartungsarbeiten zu optimieren, damit mögliche Einbußen so gering wie möglich gehalten werden.

Ein weiterer Vorteil von KI ist, dass sie dazu genutzt werden kann, Strömungsmodelle zu erstellen, die in der Lage sind, die Menge an Energie, die ein Wasserkraftwerk erzeugen kann, zu schätzen, was eine effizientere Zeitplanung hinsichtlich der Turbinen und eine langfristig effizientere Produktionsplanung ermöglicht. Darüber hinaus kann KI in Wasserkraftwerken dazu beitragen, potentiell negative Auswirkungen extremer Wetterereignisse zu mindern, indem Wasserströme besser gesteuert werden und ein Überlaufen verhindert wird.

Wolfgang Hofbauer, Experte auf dem Gebiet und Leiter einer IEC-Arbeitsgruppe, die Normen für Wasserturbinen entwickelt, sagt, dass KI in vielerlei Hinsicht helfen könne, zum Beispiel indem sie es ermöglicht, potenzielle Gefahren für die Energieversorgung zu erkennen. „Durch ihre Fähigkeit, Daten zu sammeln und auszuwerten, können KI-Systeme dazu beitragen, festzustellen, wo Werte eventuell abweichen, wie zum Beispiel Temperaturveränderungen, was eine zielgerichtete, vorausschauende Wartung ermöglicht, anstatt nur reagieren zu können, wenn etwas ausfällt. Darüber hinaus kann sie die Ausgangsleistung in Echtzeit berechnen und Simulationen durchführen, um die optimalen Wasserstände und Parameter für eine möglichst effiziente Nutzung der Turbinen festzulegen.“

Allerdings sei die Nutzung von KI bei der Automatisierung in Wasserkraftwerken noch nicht weitverbreitet, erklärt er, da der Markt vorsichtig agiere aus Angst, dass etwas schieflaufen könne und es zu Netzstörungen komme. Auch Cybersecurity sei ein wichtiges Thema in dem Kontext. „Wasserkraftwerke sind gefährdete Ziele in der Infrastruktur eines Landes und damit für Hacker interessant“, fügt er hinzu. „Deshalb ist es wichtig, die Sicherheit der Hardware und Systeme zu stärken, indem Firewalls oder andere fortschrittliche Maßnahmen zur Erhöhung der Cybersecurity eingesetzt werden.“

Die Integration von IoT-Geräten und Sensoren macht Wasserkraftwerke anfälliger für Cyberattacken, da es mehr Angriffsmöglichkeiten gibt – jedes Gerät bietet eine weitere Möglichkeit. Der Internationalen Energieagentur (IEA) zufolge ist die Zahl der Cyberattacken seit 2018 stark gestiegen und 2022 infolge des russischen Angriffs auf die Ukraine drastisch in die Höhe geschnellt.

So wurde beispielsweise im April 2023 Hydro-Québec, der staatliche Stromanbieter von Quebec, Opfer eines Cyberangriffs, für den eine prorussische Gruppierung die Verantwortung übernahm. Ein weiteres Beispiel ist der gescheiterte Cyberangriff auf den Staudamm Grand Ethiopian Renaissance Dam im Mai 2022. Der Angriff zielte auf 37 000 vernetzte Computer, die von den äthiopischen Finanzinstituten genutzt werden. Die größten Bedrohungen sind solche durch Ransomware, Fernzugriffe, Eindringen in Lieferketten, Phishing und Schadprogramme, die zu einem Verlust von Daten, Produktivität und Einnahmen führen.

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Basierend auf globalen Best Practices, bieten internationale Normen Lösungen für viele der Herausforderungen im Zusammenhang mit Cybersecurity. Sie können dazu beitragen, die Sicherheit für unterschiedlichste Komponenten und Geräte auf einem hohen Niveau zu halten, und sicherstellen, dass verschiedene Geräte effektiv und sicher zusammenarbeiten.

So bietet beispielsweise die Normenreihe IEC 62443 einen Leitfaden für Cybersecurity im Bereich industrieller Automatisierungs- und Steuerungssysteme, der in jeder industriellen Umgebung, einschließlich Einrichtungen der kritischen Infrastruktur, wie Energieversorgungsunternehmen oder Atomkraftwerke, genauso wie im Gesundheits- und Transportsektor angewandt werden kann. ISO/IEC 27019, Informationssicherheit, Cybersecurity und Datenschutz – Maßnahmen zur Informationssicherheit in der Energieversorgung, erweitert die Kontrollmechanismen und Maßnahmen zur Informationssicherheit, die in ISO/IEC 27002 festgelegt wurden, um den besonderen Anforderungen von Prozessleitsystemen und Automatisierungstechnologien, die von nationalen Netzen genutzt werden, gerecht zu werden. Dazu gehören Überwachungs- und Automatisierungstechnologien, digitale Steuergeräte, Datenvisualisierungen, Kommunikationstechnologie wie Netzwerke und Fernsteuerungstechnologien, digitale Schutz- und Sicherheitssysteme und vieles mehr.

IEC/IEEE 63198-2775, Technische Leitlinien für intelligente Wasserkraftwerke, trägt den besonderen Anforderungen von Wasserkraftwerken Rechnung und stellt eine offene Architektur mit technischen Anforderungen für jedes Teil zur Verfügung, um den sicheren, zuverlässigen, effizienten und wirtschaftlichen Betrieb von Wasserkraftwerken zu verbessern, was auch die Interaktion mit intelligenten Netzen verbessert. Dazu gehören Leitlinien für Kommunikationsnetzwerke, Sensoren, Überwachungs- und Steuerungsgeräte vor Ort, integrierte Steuerungs- und Managementplattformen (ICAMP) sowie die intelligente Kontrolle und Steuerung von Kraftwerken mit der vorhandenen technischen Ausrüstung. Das Komitee, das die Leitlinien entwickelt hat, arbeitet zudem an einer technischen Spezifikation, die als Orientierungshilfe für die effektive Digitalisierung des Betriebs und der Wartung von Wasserkraftwerken dienen soll.

Das Industrial-Cyber-Security-Programm von IECEE (IEC System for Conformity Assessment Schemes for Electrotechnical Equipment and Components), prüft und zertifiziert Cybersecurity im Bereich der industriellen Automatisierung. Die Konformitätsbewertungen von IECEE beinhalten ein Programm, das eine Zertifizierung nach Normen aus der Normenreihe IEC 62443 anbietet.

Die Nutzung von IEC-Normen und die Konformitätsbewertungsverfahren, die sicherstellen, dass diese Normen korrekt angewandt werden, sind daher wichtige Werkzeuge, um der Wasserkraftindustrie dabei zu helfen, mit der Nachfrage Schritt zu halten und die neuesten Technologien sicher und effizient zu nutzen. Sie alle stärken die wichtige Rolle von Wasserkraftwerken in einer klimaneutralen Zukunft.

Redaktioneller Hinweis:

Der englischsprachige Originalartikel von Clare Naden erschien erstmals auf etech.iec.ch in der Ausgabe 06/2024 unter:
https://etech.iec.ch/issue/2024-06/keeping-hydropower-plants-cyber-secure

Inhaltliche Beschreibungen, Darstellungen und Meinungen in diesem IEC-Text können von denen der DKE abweichen.

Die starke Vernetzung unserer Infrastrukturen ruft einige Bedrohungen der Informationssicherheit und des Datenschutzes bei Systemen hervor. Innerhalb der DKE werden im Arbeitsfeld Cybersecurity wichtige Sicherheitsfragen behandelt, die sich über die gesamte Laufzeit eines Systems bzw. einer Systemkomponente erstrecken. Ein Hauptziel aus Normungssicht ist dabei, Cybersecurity als Innovationsthema zu verstehen und in den relevanten Bereichen ganzheitlich zu adressieren.