Was ist Netzresilienz?

Stromausfälle können durch Naturkatastrophen, Cyberangriffe, Equipmentausfälle und andere Ursachen auftreten. Das Ausmaß, in dem Netzbetreiber den Umfang, die Dauer und die Auswirkungen von Ausfällen begrenzen können, bestimmt den Grad der Widerstandsfähigkeit eines Stromsystems.

Netzresilienz und Netzzuverlässigkeit sind eng miteinander verbundene Begriffe:

• Netzzuverlässigkeit misst, wie beständig ein Stromnetz unter normalen Bedingungen die Energieversorgung aufrechterhalten und den Bedarf der Kunden decken kann.

• Die Netzresilienz konzentriert sich auf die Fähigkeit des Netzes, Störungen zu widerstehen, sich an sie anzupassen und sich von ihnen zu erholen.

Die beiden Bereiche überschneiden sich zwar in gewisser Weise, aber ein belastbares Netz ist nicht unbedingt zuverlässig, und umgekehrt ist es genauso. Investitionen in Resilienz steigern häufig die langfristige Zuverlässigkeit, indem sie die Ausfalldauer verkürzen und die Systemrobustheit verbessern.

Die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes spiegelt wider, wie verschiedene technische, ökologische und betriebliche Faktoren unter Stress zusammenwirken, um die Stromerzeugung und -versorgung aufrechtzuerhalten. Zu den Faktoren, die die Widerstandsfähigkeit eines Stromnetzes bestimmen, gehören die hier aufgeführten Punkte:

• Bestehende Infrastruktur

• Komplexität und Konstruktion des Netzes

• Nachfragewachstum

• Energiewende

• Betriebliche Flexibilität

• Klimawandel

• Cybersicherheit

Die Energieinfrastruktur umfasst Kraftwerke, Transformatoren, Stromleitungen und andere physische Geräte, die Strom erzeugen, übertragen und liefern. Veraltete Stromerzeugungs- und Übertragungssysteme sind anfälliger für Störereignisse.

Zentralisierte Netze mit begrenzter Redundanz sind leichter zu verwalten, haben aber oft kritische Schwachstellen. Umgekehrt bieten dezentrale oder verteilte Netze mehr Redundanz, sind aber komplexer in der Entwicklung, im Betrieb und in der Wartung.

Das Nachfragewachstum belastet die kritische Infrastruktur und kann die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes verringern. Zum Beispiel hat die Zunahme desBaus von KI-gestützten Rechenzentren zu einem entsprechenden Anstieg des Energiebedarfs geführt.

Der Anstieg der Spitzennachfrage stellt eine besondere Herausforderung für die Widerstandsfähigkeit dar, da die Erzeugungs- und Übertragungskapazität unter extremen Bedingungen belastet wird.

Der Übergang zu erneuerbaren Energiequellen fügt eine weitere Variable für den Betrieb und das Management des Systems hinzu. Intermittierende Energiequellen wie Solar- und Windenergie erfordern Gegenmaßnahmen wie Energiespeicherung, Nachfragereaktionen und flexible Erzeugung, um ihre uneinheitliche Stromerzeugung auszugleichen.

Betriebsflexibilität ist die Fähigkeit eines Netzes, Erzeugung, Last und Stromflüsse schnell an sich ändernde Bedingungen im Angebot oder der Nachfrage von Strom anzupassen. Sie ist für die Integration erneuerbarer Energien entscheidend, da sie die Schwankungen ausgleicht, die bei intermittierenden Stromquellen auftreten können.

Der Klimawandel führt zu zunehmend instabilen Wettermustern, Naturkatastrophen und extremen Wetterereignissen, was wiederum die Stromversorgung beeinträchtigen kann. Sowohl extreme Kälte- als auch extreme Hitzeereignisse stellen die Netzwiderstandsfähigkeit in verschiedenen Regionen zunehmend auf die Probe. Die rekordverdächtig kalten Temperaturen im Januar 2024 haben den Stromausfall in Texas ausgelöst, indem sie die Stromerzeugung, die Brennstoffversorgung und den Netzbetrieb belasteten.

Waldbrände, Überschwemmungen und schwere Stürme sind allesamt schwerwiegende Klimarisiken, die die Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes beeinträchtigen. Steigende Temperaturen und Hitzewellen führen zu einer verstärkten Nutzung von Klimaanlagen und beschleunigen das Nachfragewachstum für Stromversorger. Städtische Wärmeinseln – entwickelte Gebiete mit höheren Temperaturen als ihre Umgebung – verschärfen die Probleme im Zusammenhang mit der Kühlung zusätzlich.

Die zunehmende Nutzung digitaler Technologien macht Stromversorgungssysteme anfälliger für Cyberangriffe. Netzbetreiber benötigen starke Cybersicherheitsmaßnahmen, um Angriffsflächen zu minimieren und die Widerstandsfähigkeit des Netzes gegenüber einer sich wandelnden Bedrohungslandschaft aufrechtzuerhalten.

2026 ist aufgrund mehrerer konvergierender Faktoren ein entscheidendes Jahr für die Netzresilienz. Die stark steigende Nachfrage resultiert aus verstärkter Elektrifizierung, dem Bau von Rechenzentren und dem Wirtschaftswachstum. Gleichzeitig beeinträchtigen die alternde Infrastruktur und die zunehmenden Naturkatastrophen im Zusammenhang mit dem Klimawandel die Fähigkeit des Stromnetzes, die gestiegene Nachfrage zu decken.

Die Anpassung des Stromnetzes an fortschrittliche technologische Modernisierungen, wie beispielsweise Nachhaltigkeitsinitiativen, die erneuerbare Energien und Kernenergie nutzen, birgt eigene Herausforderungen. Beide sind kapitalintensiv, und die Integration erneuerbarer Energien in die Altinfrastruktur ist logistisch komplex.

Im Gegensatz zu intermittierenden erneuerbaren Energien können Kernkraftwerke kontinuierlich betrieben werden und sind weniger anfällig für kurzfristige Wetterschwankungen. Kernenergie ist jedoch Gegenstand anhaltender Debatten über Sicherheit und andere Bedenken.

Kurzfristige Resilienzlösungen sind erforderlich, um den Herausforderungen von 2026 zu begegnen, bevor längerfristige Energiequellen ans Netz gebracht werden können.

Die Resilienz moderner Stromnetze wird durch Technologie wie KI, erneuerbare Energiequellen und verteilte Netze unterstützt. Diese Ansätze sind die vier Hauptmethoden zur Verbesserung der Netzresilienz:

• Intelligente Technologien

• Verbesserungen der physischen Infrastruktur

• Dezentrale Erzeugung

• Energiespeicherung

Netzbetreiber und andere Stakeholder können Automatisierung in Asset-Management einführen, indem sie Smart-Grid-Technologien einsetzen. Mithilfe von Modellen zur vorausschauenden Analyse können Bedrohungen vorhergesehen werden, wodurch Netzbetreiber Zeit gewinnen, um zu reagieren oder vorausschauende Wartung durchzuführen. Fortschrittliche Sensoren, wie zum Beispiel Phasor-Messeinheiten (PMUs), können die automatische Störungserkennung und das Situationsbewusstsein verbessern.

Bei ausreichender Modernisierung können Systeme mit Selbsterkennung und automatischer Fehlerbehebung den Strom umleiten, wenn eine Störung erkannt wird, und die Versorgung der Kunden aufrechterhalten. Eine intelligente Technologieintegration kann Unternehmen dabei helfen, sich für infrastrukturbezogene Finanzierungsmöglichkeiten, Förderprogramme und andere Partnerschaften zu qualifizieren.

Die „Härtung“ des Stromnetzes bedeutet, es widerstandsfähiger gegen physische Störungen zu machen. Zu den Lösungen gehören klimaresistente Gegenmaßnahmen wie höhere Deiche, Vegetationsmanagement, die Verlagerung wichtiger Assets, feuerfeste Materialien und die Verlegung von Stromleitungen.

Anstatt neue Infrastruktur zu bauen, können Netzbetreiber flexible Wechselstromübertragungssysteme (FACTS) nutzen, um die ungleichmäßige Stromversorgung auszugleichen. FACTS hilft alternden Stromnetzen, sich an erneuerbare Energiequellen anzupassen, ohne dass Neubauten erforderlich sind.

Intelligente Technologien und physische Verbesserungen bieten Energieversorgern die Möglichkeit, Klimarisiken mit strategischen Investitionen in Geschäftsmöglichkeiten umzuwandeln.

Dezentrale Erzeugung (DG) ist die Bereitstellung von Elektrizität über kleine lokale Netze im Gegensatz zu großen zentralisierten Netzen. Dezentrale Energieerzeugungsanlagen (DERs) konzentrieren sich häufig auf erneuerbare Energiequellen und können Solarpaneele, Windkraftanlagen und Energiespeichersysteme umfassen.

DERs können einzelne Haushalte mit Strom versorgen oder an ein Mikronetz angeschlossen werden – ein unabhängig betriebenes Netz, das ein regionales Gebiet wie eine Universität oder einen Krankenhauscampus versorgt. Mikronetze und Kraft-Wärme-Kopplungssysteme (KWK) können angeschlossen werden und zum breiteren Netz beitragen, während sie sich gleichzeitig manuell oder automatisch unter Quarantäne stellen oder „inseln“ können, um die Betriebszeit während eines Ausfalls aufrechtzuerhalten.

Dezentrale Erzeugungssysteme können dazu beitragen, den Energiebedarf zu senken, indem sie die vom Netz bereitgestellte Stromversorgung ergänzen oder diese in den von ihnen versorgten Gebieten vollständig ersetzen. Netzbetreiber können dann Ressourcen auf andere Kunden konzentrieren, die nicht von einer DER versorgt werden. Unternehmen, die DERs betreiben, können durch den Verkauf von überschüssiger Energie an das größere Netz profitieren.

Energiespeichersysteme sind eine kritische Komponente der Netzmodernisierung. Kunden und Versorgungsunternehmen können während Störungen eine Stromversorgung aufrechterhalten und die Variabilität ausgleichen. Batteriespeichersysteme (BESS) können im privaten, gewerblichen und Dienstprogramm-Bereich bereitgestellt werden und bieten Hilfsstromversorgung bei Stromausfällen sowie Netzdienstleistungen wie Frequenzregelung, Spannungsstützung und Spitzenlastkappung.

Längerfristige Energiespeichertechnologien erweitern diese Vorteile, indem sie Strom für Stunden oder Tage statt nur für Minuten liefern. Energiespeichersysteme verbessern die Leistung von Mikronetzen, erhöhen die Systemflexibilität und ermöglichen es Netzbetreibern, den Betrieb schnell wiederherzustellen.

Die KPIs der Netzresilienz ermöglichen Unternehmen und Stakeholdern, die Leistung ihrer Initiativen zu bewerten. Diese Erkenntnisse können weitere Verbesserungen steuern und die Effizienz maximieren.

Die KPIs für die Resilienz von Netzen umfassen die hier beschriebenen Metriken:

• SAIDI (System Average Interruption Duration Index) misst die durchschnittliche kumulative Stromausfalldauer pro Kunde.

• SAIFI (System Average Interruption Frequency Index) misst die durchschnittliche Anzahl der Ausfälle pro Messzeitraum, oft pro Jahr.

• CAIDI (Customer Average Interruption Duration Index) misst die durchschnittliche Zeit, die benötigt wird, um die Stromversorgung nach einem Stromausfall wiederherzustellen. SAIDI, SAIFI und CAIDI sind traditionell Zuverlässigkeitskennzahlen, werden aber oft als Ersatzindikatoren für die Netzresilienz verwendet.

• Die kritische Lastleistung ist die maximale Bedarfsgrenze, die ein Netz aushalten kann, bevor es zu negativen Auswirkungen, wie z. B. Stromausfällen, kommt.

• Zu den Metriken für die Verbesserung der Infrastruktur gehören beispielsweise kilometerlange, vergrabene Stromleitungen, erhöhte Deiche, modernisierte Einrichtungen und Megawatt (MW) wetterfester Erzeugungskapazität.

• Die Anzahl und Kapazität der Inselnetze gibt an, wie gut Mikronetze ein Netz in seinem Versorgungsbereich ergänzen.

• Bedrohungsmodelle, die prädiktive Analysen verwenden, können die Auswirkungen von extremen Wetterereignissen auf ein Stromnetz aufzeigen.

• Die Bewertung von Asset-Sicherheitslücken identifiziert kritische, entscheidende Infrastrukturen, bei denen das Risiko einer Störung besteht.

• Die vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) im Rahmen seines Programms „National Library of the Rockies“ (NLR) entwickelte Kundenschadensfunktion (CDF) mit finanzieller Unterstützung des US-Energieministeriums (DoE). Sie misst den Unterschied der Ausfallkosten mit und ohne Resilienzinvestitionen.

Bis heute gibt es keine allgemeingültigen Standards für KPIs zur Netzresilienz, allerdings wird derzeit Forschung an der Entwicklung eines neuen Systems zur Messung der Wirksamkeit von Initiativen durchgeführt. Ein 2026 in Science Direct veröffentlichter Beitrag schlägt eine neue Reihe von DER-fokussierten KPIs vor, die einen gezielteren Blick auf Resilienz-Entwicklungen ermöglichen sollen.