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Resilienz oder Stromausfall: Berlins Infrastrukturproblem hat eine technische Lösung

Nach den Störungen der Berliner Stromversorgung etablieren sich zwei reflexartige politische Forderungen. Zum einen wird der Ruf nach Videoüberwachung im öffentlichen Raum laut, zum anderen fordert die Sicherheitspolitik die Geheimhaltung von Plänen und Kartenmaterial zu KRITIS-Anlagen. Bei beiden Maßnahmen wird der Schutz kritischer Infrastrukturen behauptet. Beide scheitern jedoch an grundlegenden Realitäten der Infrastruktursicherheit und lenken von den eigentlich notwendigen Maßnahmen zur Erhöhung der Resilienz ab.

Die Täterfrage als Ablenkungsmanöver

Die zentrale Frage lautet nicht, wer die Störung verursacht hat, sondern wie verwundbar unsere Infrastruktur gegen Störungen ist. Bei Schäden an Kabeln und Leitungen kommen im Wesentlichen drei Verursachergruppen infrage: der wohlmeinende Tiefbauer mit seinem Bagger und andere Unfälle, schuldlose Unwetter- und Naturereignisse sowie Saboteure oder Terroristen. Allen drei Gruppen ist eines gemeinsam – Kameras halten sie nicht davon ab, Schaden anzurichten und sie interessieren sich nicht dafür, ob Daten Online verfügbar waren.

Ziel einer wirksamen Sicherheitsstrategie darf daher nicht die Verhinderung einzelner Störung sein, sondern die Verhinderung von Versorgungsausfällen. Störungen werden immer auftreten. Selbst wenn man alle bekannten Saboteure und Terroristen von heute auf morgen inhaftieren könnte, würde sich morgen jemand Neues finden. Naturereignisse lassen sich darüber hinaus nicht inhaftieren. Die Täterdebatte ist daher zweitrangig. Entscheidend ist die Resilienz von KRITIS.

Kann ein Akteur trotz hoher Strafandrohungen lediglich eine kurze, folgenlose Störung verursachen, wird diese Vorgehensweise unattraktiv. Gleichzeitig profitieren davon auch der Schutz vor Naturereignissen und vor fahrlässigen Beschädigungen und Unfällen bei Bauarbeiten.

Geheimhaltung von KRITIS-Daten: Security through Obscurity scheitert in der Praxis

In der aktuellen sicherheitspolitischen Diskussion wird gefordert, Pläne, Karten und öffentlich zugängliche Informationen zu KRITIS-Anlagen zurückzuhalten oder aus Registern zu entfernen (Transparenzpflichten). Diese Forderung ignoriert mehrere grundlegende Realitäten:

  • Erstens gilt das Prinzip der Irreversibilität öffentlicher Information. Einmal veröffentlichte Daten lassen sich faktisch nicht wieder geheim machen. Die nachträgliche Klassifizierung bereits verbreiteter Informationen erzeugt keine Sicherheit, sondern lediglich eine Sicherheitsillusion. Eine echte Verdrängung dieser Informationen würde erfordern, sämtliche Kabel neu zu verlegen – ein offensichtlich unrealistisches Szenario.
  • Zweitens sind zentrale Infrastrukturelemente auch ohne Pläne erkennbar. Hochspannungsmasten, Mobilfunkmasten, Umspannwerke, Kabelbrücken, Trafostationen usw. lassen sich mit minimalem technischen Verständnis identifizieren. Trassenführungen folgen in der Regel Straßen oder verlaufen sichtbar über Freiflächen. Selbst unterirdische Leitungen sind durch Schächte, Markierungen und Beschilderungen auffindbar. Wer gezielt schaden will, benötigt keine offiziellen Register.
  • Drittens benötigen Tiefbauunternehmen einfachen Zugang zu Leitungsplänen, um versehentliche Beschädigungen zu vermeiden. Der überwiegende Teil der Störungen entsteht nicht durch Sabotage, sondern durch Bauarbeiten. Versicherer nennen das Baggerbiss und diese geschehen trotz öffentlicher Register dutzendfach. Eine Geheimhaltung dieser Informationen verschärft daher paradoxerweise das Risiko versehentlicher Beschädigungen und konterkariert damit den angestrebten Schutzzweck.
  • Viertens sind präzise Infrastrukturdaten nach Naturereignissen und Großschadenslagen für Einsatzkräfte von erheblicher Bedeutung. Feuerwehr, Technisches Hilfswerk und Rettungsdienste müssen die Lage sein, beschädigte Leitungen herausfinden zu können, um Eigen- und Fremdgefährdung beurteilen zu können. Wenn Einsatzkräfte nicht wissen, wo eine beschädigte Gasleitung oder ein gebrochenes Hochspannungskabel verläuft, gefährden sie ihr eigenes Leben und verzögern die Hilfe für Betroffene.

Videoüberwachung im öffentlichen Raum: Das Geeignetheitsproblem

Parallel zur Forderung nach Geheimhaltung wird die Videoüberwachung mit KI Gesichts- und Verhaltensmustererkennung von KRITIS-Anlagen im öffentlichen Raum gefordert. Während Anlagen auf privatem Grund bereits vollständig überwacht sind, zielt die Forderung nun auf KRITIS-Systeme in öffentlichen Bereichen außerhalb der Liegenschaften der Netzbetreiber. Jeder staatliche Eingriff in Grundrechte muss vier Hürden der Verhältnismäßigkeitsprüfung überwinden:

  • Erstens muss ein legitimer Zweck vorliegen, also ein rechtlich zulässiges Ziel verfolgt werden.
  • Zweitens muss die Maßnahme geeignet sein, das heißt grundsätzlich in der Lage, das Ziel zu erreichen.
  • Drittens muss sie erforderlich sein, es darf also kein milderes Mittel geben, das genauso wirksam wäre.
  • Viertens muss die Maßnahme angemessen sein, der Nutzen muss also in einem vernünftigen Verhältnis zum Grundrechtseingriff stehen.

Nur wenn alle vier Kriterien kumulativ erfüllt sind, ist eine Maßnahme verhältnismäßig.

Die Anwendung dieser Prüfung auf Videoüberwachung im öffentlichen Raum zum Schutz kritischer Infrastruktur ergibt folgendes Bild. Der legitime Zweck ist gegeben, denn der Schutz kritischer Infrastruktur stellt ein legitimes staatliches Ziel dar. Die Geeignetheit ist jedoch nicht gegeben. Eine Kamera verhindert keine Sabotagen oder terroristischen Straftaten. Sie ist lediglich geeignet, nach erfolgter Tat Ermittlungsansätze zu liefern. Eine Videoüberwachung kann auch die Alarmierungsgeschwindigkeit erhöhen, eine schnellere Reaktion der Sicherheitsbehörden ist aber auch keine Verhinderung des Vorfalls. Nachteil ist des weiteren, dass durch falsch-positive Alarme die Sicherheitsbehörden unnötig belastet und ggf. überlastet werden.

Die häufig herangezogene abschreckende Wirkung von Videoüberwachung kann lediglich geringfügigen Vandalismus verhindern. Etwa das Werfen von Zigarettenkippen, Graffiti oder ähnliche Bagatelldelikte. Bei erheblichen Straftaten, die Vorsatz und Planung erfordern, wirkt eine Kamera jedoch nicht abschreckend. Sie fördert vielmehr nur den Einsatz von Vermummungen oder die vorherige Beschädigung der Kameras.

Die Erforderlichkeit wäre zu diskutieren, wenn die Geeignetheit gegeben wäre. Als milderes Mittel ließe sich die Schaffung von Redundanz in den Versorgungsnetzen anführen. Diese Maßnahme ist allerdings erheblich kostenintensiver als Videoüberwachung, sodass hier eine echte Abwägungsfrage entstünde. Die Angemessenheit schließlich wäre der eigentlich diskutable Teil, nämlich die Abwägung zwischen Datenschutz und KRITIS-Schutz im engeren Sinne.

Das zentrale Problem der gegenwärtigen Debatte liegt darin, dass ausschließlich über die Angemessenheit diskutiert wird, während die Geeignetheit nicht infrage gestellt wird. Dies stellt keine objektive, sachliche Debatte über den Kameraeinsatz dar. Wer die Geeignetheit überspringt und direkt zur Abwägung übergeht, führt eine Scheindebatte. Wenn eine Maßnahme bereits an der zweiten Hürde der Verhältnismäßigkeitsprüfung scheitert, erübrigt sich die Diskussion über die vierte Hürde vollständig. Die verfassungsrechtliche Prüfung endet mit der fehlenden Geeignetheit.

Resilienz durch n-1-Prinzip: Der konstruktive Weg

Die eigentliche Antwort auf die Verwundbarkeit liegt nicht in Überwachung oder Geheimhaltung, sondern in technischer Resilienz. Redundante Versorgungswege, Ringnetze statt Sternstrukturen, schnelle Ersatzversorgung und schnelle Wiederherstellungsmechanismen sind die adäquaten Antworten auf Störungsszenarien. Das sogenannte n-1-Prinzip besagt, dass die Stromversorgung auch dann funktionsfähig bleiben muss, wenn eine beliebige Komponente ausfällt. Konkret bedeutet dies, dass bei Ausfall einer Leitung, eines Transformators oder eines Knotenpunkts das Netz so beschaffen sein muss, dass die Versorgung über alternative Pfade aufrechterhalten werden kann. Dieses Prinzip muss konsequent auf allen Netzebenen umgesetzt werden, von der Höchstspannungsebene über die Mittelspannung bis zur Niederspannungsversorgung der Endverbraucherinnen.

Diese Maßnahmen wirken unabhängig von der Art des Auslösers. Sie schützen gleichermaßen vor Sabotage, Naturereignissen und Unfällen. Resilienz verhindert Versorgungsausfälle, reduziert Anreize für Angriffe und erhöht zugleich die allgemeine Betriebssicherheit.

Investitionen in Redundanz sind kostenintensiv. Sie sind jedoch die einzigen Maßnahmen, die Versorgungsausfälle tatsächlich verhindern. Wer ernsthaft Infrastruktursicherheit betreiben will, muss bereit sein, in technische Substanz zu investieren statt in symbolische Sicherheitsmaßnahmen.

Bild von MBehringer via Wikimedia Commons, Lizenz: CC BY-SA 3.0

DIY Notstromanlage – ein Erfahrungsbericht

Die Unwetterkatastrophe in NRW und Rheinland-Pfalz hat gezeigt, dass die Befürchtungen vieler Wissenschaftler schnell Realität werden können. Innerhalb von nur wenigen Stunden waren ganze Landstriche von der Außenwelt abgeschnitten. Ich selbst war mit im Krisengebiet, da meine Eltern und viele Freunde aus der Schulzeit dort wohnen. Das Bild vor Ort kann man nicht beschreiben.

Update 26.08.2021: Das Projekt ist in der stetigen Weiterentwicklung und wir freuen uns über eure Kommentare. Wir haben daher den Artikel erweitert. Ihr könnt mir gerne eine DM zukommen lassen auf Twitter

 

Wir als Gesellschaft sind gewohnt, dass alles funktioniert. Wir sind abhängig von funktionierenden Infrastrukturen. Diese Tatsache ist als Verletzlichkeitsparadoxon bekannt und gilt gerade für kritische Infrastrukturen als Hauptargument, um diese zu schützen. Es gibt mehrere Gesetze, um die Sicherheit und Verfügbarkeit dieser Infrastrukturen zu gewährleisten. Naturkatastrophen können jedoch unberechenbar und verheerend sein.

Die Gebiete, in denen ich war, wurden gerade am Anfang relativ wenig von THW und Feuerwehr unterstützt, da erst einmal die Dämme und überflutete Gebiete versorgt werden mussten. Es gab vor Ort oft keinen Strom, kein sauberes Wasser und keine Kommunikation. Aufgrund des Ausfalls des Mobilfunknetzes war bei sehr vielen Handys der Akku viel schneller als üblich leer, weil Handys in diesen Situationen mit maximaler Leistung nach verfügbaren Netzen suchen. Selbst als die Mobilfunknetze teilweise wieder funktionierten, konnten viele aufgrund der leeren Handy-Akkus und der fehlenden Stromversorgung immer noch nicht telefonieren und beispielsweise keine Hilfe organisieren oder ihre Verwandten und Freunde darüber informieren, dass es ihnen gut geht und was genau sie als Unterstützung brauchen. Zudem gab es ohne Strom auch weitere Probleme. Junge Eltern konnten mangels alternativer Kochmöglichkeiten beispielsweise den Brei oder die Milch für ihre Babys nicht erwärmen.

In diesem Projekt soll daher gezeigt werden, wie man sich auf solche Situationen vorbereiten und mit vorhandenen Mitteln vor Ort eine kleine Ersatzversorgung aufbauen kann. Normale Generatoren erfordern Treibstoff und Wartung. Zudem funktionieren sie ohne regelmäßige Testläufe gemäß Murphys Gesetz „natürlich“ gerade im Notfall nicht. Je nach Bedarf gibt es sehr viele am Markt verfügbare Optionen. So kann eine USB Powerbank reichen oder eine große unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) im Keller. Auch im Caravan Bedarf gibt es entsprechende Anlagen. Diese kosten aber Teils über 1.000 Euro.

Da ich bereits viel mit Strom und Photovoltaik Systemen als Hobby arbeite, entstand die Idee einer mobilen Notstromversorgung auf Photovoltaik-Basis mit Batteriepuffer. Das System sollte einen Batteriespeicher besitzen, das Laden von USB Geräten unterstützen und ein 230V Wechselstrom-System für Dinge des alltäglichen Bedarfs (Flaschenwärmer, Licht, etc.) sowie einen 12V Ausgang für Ladegeräte besitzen. Fertige Lösungen gibt es natürlich zu kaufen. Diese kosten auch entsprechend.

Eine Kernfrage bestand in der Auswahl der Batterie. Kauflösungen setzen fast ausnahmslos auf Lithium-Polymer-Akkumulatoren (auch LiPo genannt). Diese wurden in diesem Projekt jedoch ausgeschlossen, weil die Verwendung von LiPos nicht ganz trivial und erst recht nicht für jeden Handwerker geeignet ist. Zudem gibt es extreme Qualitätsunterschiede, die schnell in einem Brand enden können. Daher wurden normale KFZ-Batterien verwendet. Eine KFZ-Batterie ist überall erhältlich und kann im Worst Case auch aus einem defektem Fahrzeug vor Ort ausgebaut werden. Natürlich sind diese nicht für den Dauereinsatz geeignet, da diese nicht zyklenfest sind. Wir reden jedoch von einem Notsystem, das nur ein paar mal genutzt werden soll. LiFePO4 Akkus sind eine weitere aber noch sehr teure Alternative.

Um mobil zu bleiben, sollte nur ein kleines Photovoltaik-Panel genutzt werden. Die normalen Panele für Häuser haben meist Maße von 1 Meter mal 1,8 Metern. Dies passt nicht wirklich gut in ein Auto oder Lastenfahrrad. Grundsätzlich ist die Wahl der Technik eine Preis- und Geschmacksfrage. Um mehr aus einer kleinen Fläche zu holen, sollte ein monokristallines Modul genutzt werden, weil dieses eine bessere Energieausbeute hat. Genauso gut geht es mit den günstigeren polykristallinen Modulen.

Die letzte technische Frage bezog sich auf den PV-Wechselrichter. Dieser dient als Bindeglied zwischen dem PV-Panel und der Batterie. Es gibt zwei typische Verfahren; PWM-Laderegler (Pulsweitenmodulation) sind hierbei die einfacheren Geräte im Vergleich zu MPPT-Reglern (Maximum Power Point Tracking). Kostenmäßig sind die PWM-Geräte günstiger und reichen für die Anwendung vollkommen aus. Das Ziel bestand schließlich darin, ein günstiges Modul zu bauen.

Der Aufbau

Zuallererst sei darauf hingewiesen, dass im fertigen System auch mit Wechselspannung gearbeitet wird. Für den normalen Maker also Neuland. Arbeiten an diesen Anlagen dürfen nur von einer Elektrofachkraft durchgeführt werden. Sofern der Sinus-Wechselrichter für die 230V Systeme eine fertige Schuko-Steckdose hat, sollte dies nicht weiter ins Gewicht fallen. Aber auch mit 12V kann man bei hohen Ampere Zahlen schöne Lichtbögen erzeugen.

Der Zusammenbau ist relativ einfach und in zwei Stunden erledigt. Die Kosten belaufen sich auf ca. 320 Euro. Wenn man bestimmte Dinge anpasst, können auch die angepeilten 250 Euro erzielt werden.

  1. Um die Batterie vor dem Verrutschen zu sichern, wird eine passgenaue Bodenplatte aus Spannholz zurecht geschnitten. Diese hat eine Aussparung für die Batterie, so dass sie nicht mehr rutschen kann. Die Aussparung muss natürlich je nach Box passend geschnitten werden.
  2. Im nächsten Schritt wird der Strom angeschlossen. Die Sicherungen sollten noch nicht gesteckt sein! Es besteht Kurzschlussgefahr. Bei dem von mir genutzten PV-Set sind bereits alle Kabel enthalten. Bitte achtet bei eigenen Kabeln auf die passenden Kabelquerschnitte (6-10mm) und Sicherungen (maximal 15 cm von der Batterie weg). Als erstes wird das Kabel zum Solar Panel angeschlossen. Plus auf Plus, Minus auf Minus. Da hohe Ströme fließen, bitte fest anziehen. Das PV-Panel wird noch nicht verbunden.
  3. Danach wird die Batterie angeschlossen. In die Plus-Leitung muss eine 20A Sicherung eingebaut werden. Auch hier wieder Plus auf Plus, Minus auf Minus.
  4. Der 230V-Wechselrichter darf nicht direkt an den Solar Wechselrichter angeschlossen werden, weil er zu viel Leistung benötigt. Er muss direkt an die Batterie angeklemmt werden. Bei meinem Wechselrichter waren 2 Kabel mit dabei, welche jedoch nicht direkt angeschlossen werden konnten. Diese habe ich gekürzt, neu gecrimpt und dann entsprechend direkt an die Batterie angeschlossen. Auch hier wird direkt eine Sicherung in der Plus Leitung der Batterie eingebaut, welche ebenfalls noch nicht gesteckt ist.
  5. Am Lastausgang des Solar Wechselrichters wird eine Standard 12V KFZ Buchse angeschlossen. Auch hier ist eine Sicherung in der Buchse eingebaut. An den 12V Ausgang sollten nur kleine Abnehmer angeschlossen werden (Ladegeräte oder kleinere 12V Verbraucher wie LED-Licht).
  6. Nach Verkabelung wird das innere der Box mit Holz ausgekleidet und alles mit Holzleim verbunden. Das Holz-Paneel wird über der Batterie nur aufgelegt und kann zu Wartungszwecken geöffnet werden.
  7. Für den finalen Test werden das PV-Panel angeschlossen und die Sicherungen eingebaut. Das System schaltet sich automatisch ein. Da ich eine Nass-Batterie verwende, habe ich dies im PV-Wechselrichter eingestellt. Bitte prüft daher euren Wechselrichter daraufhin, welche Typen unterstützt werden. Dann wird die 12V Buchse an den Laptop geklemmt und geprüft, ob geladen wird. Funktioniert alles, können die Kabel noch schön verlegt werden und die Batterie initial voll aufgeladen werden.

Im geschlossenen Zustand passt es zusammen mit dem Solarpanel in den Kofferraum eines Autos oder auch in ein Lastenrad. Durch die 6 Meter Kabel kann das Modul genau dort platziert werden, wo gerade Sonne ist.

Was kann die Box?

Da man bei Bleibatterien nie die volle Leistung entnehmen sollte (maximal 50%), kann grob eine 27Ah Leistung erreicht werden, womit der 300W Wechselrichter für eine Stunde bei maximaler Last laufen kann. Natürlich nutzt der Wechselrichter selten die volle Leistung und daher reicht die Batterie im Feldbetrieb normalerweise einen Tag. Zudem wird die Batterie im Betrieb durch das Solarpanel aufgeladen. Je nach Budget und Größe der Box können natürlich größere Batterien benutzt werden. Dies erhöht aber auch das Gewicht. Mit Batterie-Schnellklemmen kann die Batterie auch schnell gegen eine andere Batterie getauscht werden. Daher sollten genügend Kabel in der Box vorrätig sein, um eine externe Batterie schnell anklemmen zu können. Die Auswahl ist daher sehr variabel.

Als geplante Verbesserung ist ein Update des Solar-Wechselrichters auf eine 30A Version geplant, an welcher auch direkt die Module einer bestehenden PV-Anlage angeschlossen werden können. So wurde zu Testzwecken ein 600W Balkonkraftwerk auf dem Gartenhaus montiert, welches aber nur als Insellösung konzipiert war. Hier können auch mehrere Batterien geladen und bei Bedarf in das mobile System eingebaut werden. Es wurde darauf geachtet, dass alle PV-Panele vor Ort (Dach, Garten, mobil) über MC4 Adapter verfügen, damit diese untereinander ausgetauscht werden können. Hierbei ist darauf zu achten, dass die PV-Wechselrichter mit der Leistung der Module klar kommen. Auch hier noch ein Warnhinweis: Die PV-Anlage auf dem Dach hat oft DC-Spannungen über 500V. Bitte niemals unter Last die Verbindungen trennen und unbedingt generell darauf achten, dass die Anlage abgeschaltet und im besten Fall verschattet ist.

Die kleine Box ist regelmäßig beim Outdoor-Einsatz mit dabei und wird auch auf den nächsten Camps vom CCC oder dem niederländischen Pendant dabei sein.

Teileliste:

  • Auto Batterie (in meinem Fall eine Anlasser Batterie, 12V, 45Ah, 400A)
  • 12V auf 230V Wechselrichter
  • 12V Buchse (ein Zigarettenanzünder aus dem KFZ-Bedarf)
  • Solar-Wechselrichter (als Set mit Solarmodul und Kabel, z.B. von Offgrid Tec. Hinweis: Die Sets sind heiß begehrt und ggf. gerade ausverkauft. Viele Baumärkte haben diese auch im Angebot.)
  • PV-Panel (ist ggf. im Set inbegriffen)
  • Anschlusskabel (ist ggf. im Set inbegriffen)
  • Werkzeug (Stichsäge, Seitenschneider, Holzleim, Crimp-Zange sind von Vorteil)
  • Spanplatten 1cm
  • Kiste zum Einbau (Hier nutze ich eine Stanley/DeWalt TSTAK, da ich mein ganzes Werkzeug hiermit organisiere.)
  • Lust am basteln