Standards für Elektrofahrzeuge und das Stromnetz

„In Zukunft sollten Energieversorger wie Orchesterdirigenten werden“

Frances Cleveland, eine der führenden IEC-Expertinnen für Cybersicherheit und die Verbindung verteilter Energieressourcen (DERs) mit dem Netz, erzählte-techüber die neuesten Standards für den Anschluss von Elektrofahrzeugen (EVs) an das Stromnetz und wie man sie sicher hält.

Die IEC ebnet den Weg für Standards für Elektrofahrzeuge, die als DERs für das Netz verwendet werden, was bedeutet, dass Elektrofahrzeuge Strom aus dem Netz laden, aber bei Bedarf auch Energie an das Netz abgeben können. Gibt es in diesem Bereich neue Standards?

Es gab viele Fortschritte, einige davon innerhalb der IEC und andere außerhalb der IEC. Ein IEC-Meilenstein ist die Veröffentlichung der IEC 63584 im Jahr 2024, basierend auf einem wichtigen Protokoll, dem Open Charge Point Protocol oder OCPP. In der Vergangenheit unterstützte OCPP nur das Laden von Elektrofahrzeugen. Als Reaktion auf die Anforderungen des Netzmanagements für die Entladung von Elektrofahrzeugen bietet das Protokoll nun jedoch interoperable Kommunikation zwischen Ladestationen (EVSEs) und verschiedenen Flexibilitätsbetreibern oder Aggregatoren und ist somit in der Lage, verschiedene Anbieter und die vielen verschiedenen regulatorischen Anforderungen zu unterstützen. Das Protokoll selbst wird aktualisiert, um den im IEC Systems Committee for Smart Energy (SyC SE) entwickelten IEC 63460-Empfehlungen zu entsprechen, zu denen gehört, dass Elektrofahrzeuge sowohl beim Laden als auch beim Entladen ins Haus oder ins Netz als DERs fungieren. Dieser Standard wurde gerade erst veröffentlicht. In zukünftigen Ergänzungen wird IEC 63584 weitere DER-Funktionen umfassen, einschließlich der Begrenzung von Lade- und Entladevorgängen, der autonomen Reaktion auf Frequenz und Spannungen und der Verwaltung wie jeder andere DER.

Ein weiterer Standard in diesem Bereich ist ISO 15118-20, der die Kommunikation von der EVSE bei Bedarf auf die Elektrofahrzeuge selbst ausdehnt. Dieses Protokoll wird auch aktiv aktualisiert, um die Anforderungen an Elektrofahrzeuge als DERs widerzuspiegeln.

Ergänzen oder konkurrieren alle diese Standards?

Sie alle arbeiten auf unterschiedlichen Ebenen. Der ISO 15118-20-Standard wird für die Kommunikation zwischen der EVSE und dem EV verwendet. Der IEC 63584-Standard wird für die Kommunikation zwischen den EVSEs und den externen Systemen, beispielsweise den Stromaggregatoren, verwendet. Beide werden zusammen verwendet, um den Datenaustausch zu kommunizieren, der erforderlich ist, um die funktionalen Anforderungen des Energiesystems gemäß IEEE 1547 zu erfüllen.

Wie haben verschiedene technische Gremien dabei zusammengearbeitet?

IEC TC 57 veröffentlichte IEC 61850-7-420, das die semantischen Informationsmodelle (Datenobjektnamen und -bedeutungen) definiert, die für die Verwaltung von DERs erforderlich sind. Die IEC 61850-Datenobjektnamen und ihre Bedeutung werden von den folgenden sechs DER-bezogenen Kommunikationsprotokollen verwendet: IEC 61850-7-420, IEEE 2030.5, IEEE 1815.2 (DNP3), SunSpec Modbus, OCPP und ISO/IEC 15118-20. Dies bedeutet, dass IEC 61850-7-420 wirklich zur Quelle für Datennamen und -bedeutungen geworden ist und das goldene Nugget im Herzen aller Standards ist, die sich mit der Interaktion des Netzes mit DERs befassen.

Experten im TC 69, das Standards für elektrische Energieübertragungssysteme für Elektrofahrzeuge veröffentlicht, erkannten daher, dass die Norm IEC 61850-7-420 die geeignete Grundlage für die Kommunikation mit an das Stromnetz angeschlossenen Elektrofahrzeugen darstellt. Sie haben eine gemeinsame Arbeitsgruppe (JWG11) mit TC 57, die sich mit der Verwaltung von Lade- und Entladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge befasst. Zu einer weiteren gemeinsamen Arbeitsgruppe (JWG15) gehören sowohl TC 57 als auch TC 120, die Standards für Energiespeichersysteme vorbereiten. JWG15 befasst sich mit den Anwendungsfällen und Datenanforderungen zwischen Flexibilitätsbetreibern, Aggregatoren und Ladestationen für Elektrofahrzeuge.

Die SyC SE identifiziert die Lücken in der Arbeit dieser Gruppen. IEC 63460„Elektrofahrzeuge als DER“schlägt Methoden zur Lösung dieser Probleme vor. Diese Bemühungen des SyC waren zusammen mit der Arbeit der vielen IEC- und ISO-Experten in diesem EV-Bereich von entscheidender Bedeutung für die Aktualisierung von OCPP und ISO/IEC 15118-20 und trugen zur Erkenntnis bei, dass EVs lediglich eine weitere Quelle gespeicherter Energie zur Unterstützung des Netzes (und ihrer Besitzer!) sind.

Waren die Energieversorger angesichts des enormen Anstiegs der Elektrofahrzeugverkäufe im Jahr 2024 daran interessiert, diese Standards zu veröffentlichen, um ihnen zu helfen, den wachsenden Strombedarf von Elektrofahrzeugen zu decken?

Ja. Ich nenne Ihnen das Beispiel Kalifornien in den USA, wo es hierzulande die meisten Elektrofahrzeuge gibt. Die Energieversorger zögerten zunächst, die größeren Ladestationen miteinander zu verbinden, weil sie den Nachfrageschub nicht bewältigen konnten, ohne das Netz entsprechend zu modernisieren. Aber die Gesetzgeber des Staates erließen Vorschriften, die sie zum Handeln drängten. Und plötzlich, unmittelbar nach der Verabschiedung des Gesetzes, handelten die Versorgungsunternehmen sehr schnell, um Platz für diese neuen Nutzungsmöglichkeiten zu schaffen. Sie hatten natürlich einige Vorbehalte und führen regulatorische Anforderungen ein, die die Laderate in Zeiten hoher Nachfrage begrenzen und bis zur Installation der Netzausbauten gelten. Darüber hinaus wurden für Privathaushalte und kleinere Unternehmen die -Nutzungsgebühren- geändert, um Verbraucher zum Aufladen in Zeiten geringer Nachfrage, beispielsweise nach Mitternacht, zu ermutigen. Der Punkt ist, dass die bestehende Normungslandschaft ihnen geholfen hat, sich schnell anzupassen und Platz für diese neuen Verwendungszwecke zu schaffen. Sie benötigen eine Kommunikation zwischen dem Energieversorger, dem Aggregator, dem Heim oder Unternehmen, den Geräten im Haus und dem Elektrofahrzeug selbst, die sowohl nahtlos als auch sicher ist, und genau das ermöglichen Standards.

Können Sie uns mehr über die IEC-Cybersicherheitsstandards für das Netz und DERs erzählen?

Ja. Da sind die laufenden Bemühungen meiner Arbeitsgruppe im TC 57, die die Cybersicherheitsstandards IEC 62351 entwickelt, die ich „How to do it“-Standards nenne. Die IEC hat auch die IEC 62443-Standards entwickelt, die Ihnen sagen, „was Sie tun müssen“, aber nicht, wie es zu tun ist. Die IEC 62443-Standards werden um horizontale Cybersicherheitsanforderungen erweitert, was bedeutet, dass verschiedene Bereiche wie Energie und medizinische Geräte die Basis-IEC 62443-Standards ändern, um ihren spezifischeren Anforderungen gerecht zu werden. Wir arbeiten derzeit an den Cybersicherheitsanforderungen für Umspannwerke und werden an DER-spezifischen Anforderungen arbeiten. IEC 62443-4-2 kann auch zum Testen der Cybersicherheit von Geräten wie DERs verwendet werden.

Außerhalb der IEC bietet IEEE 1547.3 Empfehlungen für die Cybersicherheit in DERs, die von Versorgungsunternehmen als Leitfaden verwendet werden können. Darüber hinaus entwickelt UL Solutions, eine in den USA ansässige Produktsicherheits- und Zertifizierungsorganisation, den UL 2941-Standard zum Testen der Cybersicherheit von DERs.

Welche Herausforderungen gibt es bei der Cybersicherheit von Umspannwerken und DERs?

Umspannwerke und DERs unterscheiden sich stark hinsichtlich ihrer Anforderungen an die Cybersicherheit. Umspannwerke werden zu 100 % vom Energieversorger kontrolliert, der die volle Kontrolle darüber hat, welche Maßnahmen er zu ihrem Schutz ergreifen muss. Im Gegensatz dazu haben DERs unterschiedliche Eigentümer, Aggregatoren, Hersteller, Installateure und sogar unterschiedliche Versorgungsunternehmen. Für die DER-Cybersicherheit müssten Sie zwischen all diesen verschiedenen Einheiten eine Vereinbarung darüber treffen, welches Sicherheitsniveau und welche Protokolle verwendet werden sollen, und diese Art von Vereinbarung kann ziemlich problematisch sein. Die Hersteller von Elektrofahrzeugen möchten, dass wir uns aus ihrer Welt heraushalten - Sie möchten beispielsweise nicht, dass ihnen die Energieversorger sagen, was sie tun sollen.

Umspannwerke sind wichtige Ausrüstungsteile für das Stromnetz, die aufgrund ihrer offensichtlichen Rolle bei der Bereitstellung von Strom, einer kritischen Infrastruktur, für Angreifer attraktiv sein können. Allerdings könnte der Angriff auf einen einzelnen DER seinen Besitzer verärgern, aber nicht viel mehr. Nur wenn der Angriff viele DERs betrifft, würde er zu einer kritischen Bedrohung werden. Die meisten Umspannwerke verfügen über irgendeine Form der physischen Sicherheit: Sie verfügen über Zäune, Tore, Vorhängeschlösser und manchmal sogar Kameras, während DERs selten physisch geschützt sind.

Aus Kommunikationssicht nutzen DER-Systeme das Internet, das unsicher sein kann, und Hersteller setzen in ihren DER-Systemen normalerweise Modbus ein, das keine Sicherheit bietet. Auch wenn extern sicherere Protokolle verwendet werden, sind DER-Sites besonders anfällig. Einer der Meinungsverschiedenheiten zwischen Versorgungsunternehmen und DER-Herstellern besteht darin, wo die Sicherheit beginnen sollte und wer für die Sicherung welcher Ausrüstung verantwortlich ist – und wer auf welche Arten von Sicherheitsangriffen reagiert. Das sind also einige der Probleme, mit denen wir uns befassen.

Kann man durch das Hacken eines DER das Netz beschädigen?

Das Risiko liegt beim Kommunikationskanal. Wenn ein DER über einen Kommunikationskanal mit dem Stromnetz verbunden ist und die Malware über den Kommunikationskanal zu anderen DERs, zum Aggregator und sogar zum Versorgungsunternehmen gelangt und Steuerbefehle zum zufälligen und wiederholten Ein- und Ausschalten der Systeme gibt, wird das verheerende Schäden im Stromnetz anrichten. Es ist eines unserer größten Anliegen.

Was sind die Schwerpunkte für TC 57 und die SyC SE in der Zukunft?

Kurzfristig müssen wir sicherstellen, dass alle verschiedenen Protokolle im EV-Bereich die gleichen Anforderungen erfüllen. Längerfristig wäre es erforderlich, dass das regulatorische Umfeld seine Sicht auf die Rolle der Versorgungsunternehmen ändert. Im aktuellen regulatorischen Umfeld müssen Versorgungsunternehmen alle Stromlasten bedienen. Wir können jedoch davon ausgehen, dass es in Zukunft ein größeres Gleichgewicht zwischen den Benutzern und dem Versorgungsunternehmen geben wird, mit mehr Kommunikation und mehr Verständnis zwischen ihnen. In Zukunft sollten Energieversorger wie Orchesterdirigenten agieren, wobei die Nutzer den Strom auf flexible Weise in das Netz ein- und ausspeisen können, wenn nötig auf der Grundlage von Einschränkungen und, wenn möglich, auf der Grundlage von Anreizen. Das Versorgungsunternehmen wird das Netzwerk als cybersicheres und zuverlässiges System verwalten. Davon sind wir noch weit entfernt. Aber wir denken in diese Richtung. Künstliche Intelligenz wird uns allen höchstwahrscheinlich dabei helfen, diese Ziele zu erreichen.

Frances Cleveland hat einen Abschluss in Elektrotechnik und angewandter Physik von der Harvard University und einen Post-Abschluss in Elektrotechnik und Informatik von der University of California in Berkeley.

Seit über 35 Jahren leitet und berät sie Projekte zu Smart-Grid-Informations- und Steuerungssystemen in der Elektrizitätswirtschaft. Ihr Fachwissen konzentrierte sich hauptsächlich auf Standards für die Interoperabilität von Smart-Grid-Informationen, Fragen der Cybersicherheit, Widerstandsfähigkeit des Stromnetzes, intelligente Wechselrichterfunktionen für verteilte Energieressourcen (DERs) und die Integration von Systemen, einschließlich DERs, Plug-in-Elektrofahrzeuge, fortschrittliche Messinfrastrukturen, Verteilungsautomatisierung, Umspannwerkautomatisierung und Energiemarktoperationen.