Präsentation

Resiliente technische Systeme
artec – Kolloquium:
Nachhaltigkeit
vs. / zwischen / durch
Resilienz und Transformation
Sönke Stührmann
Bremen, 26.01.2011
Überblick
1.  Perspektive und Ausgangsfragen
2.  Resilienzansätze in der Technik
3.  Resilienz in nordwest2050
4.  Herausforderungen in der Energiewirtschaft
5.  Konzept Resiliente Energieinfrastrukturen
6.  Fragen der Veranstalter
1. Ausgangsfragen und Perspektiven
Perspektive:
Technische und sozio-technische Systeme
Im speziellen: Energieinfrastrukturen
Zentrale Fragen:
•  Wo und wie wird der Begriff Resilienz in der Technik verwendet?
•  Potenziale des Resilienzansatzes für die Betrachtung Technischer
Systeme
•  Potenziale für Nachhaltige Systementwicklung
2. Resilienz in der Technik
•  Materialwissenschaft:
–  „Material Resilience (Elasticity)“ = Elastizität
•  Die Kapazität eines Materials eine Krafteinwirkung zu
absorbieren und unter Entlastung in den Ursprungszustand
zurück zu kehren.
•  Zahntechnik:
–  Resistenz = Widerstandsfähigkeit
–  Resilienz = Nachgiebigkeit
–  Resilienzteleskopkrone (Eine Krone mit „Spiel“)
Quellen:
‪
http://en.wikipedia.org/wiki/Resilience
Hohmann, A. , Hielscher, W.: Lexikon der Zahntechnik, 1998‬
2. Resilienz in der Technik
Informatik - Resiliente Informationssysteme:
•  Definition zumeist über Fähigkeiten von Resilienten
Informationssystemen:
–  Leistungsoptimierung
–  Fehler-Toleranz
–  Prozessmigration
–  Fehlererkennung und Fehlerverdeckung
–  Auslastungs-Management von Netzwerken
Resilienz Ansätze aus der
Katastrophenforschung/ Infrastrukturen
Aus dem Bereich Systems Engineering („Systems Resilience“)
•  Ansätze: Erhöhen der Resilienz, entweder durch:
–  Verringern der Wahrscheinlichkeit, dass eine Störung zur Katastrophe wird
–  Wiederherstellen des Ausgangszustandes
Definition:
•  Resilienz als Fähigkeit eines Systems (Software, Hardware aber auch Organisationen)
• 
–  Die Stärke von Störungen und Wahrscheinlichkeit von Verlusten abzuschwächen
–  Sich an sich verändernde Rahmenbedingungen anzupassen
–  Angemessen auf eintretende Störungen zu reagieren
Der Ansatz geht über die Entwicklung von sicheren Infrastrukturen hinaus. Es bezieht explizit alle
betroffenen Akteure ein sowie alle kulturellen, soziologischen und psychologischen Gründe für
Katastrophen („human-made disasters“)
Quelle: International Council on Systems Engineering, Resilience Working Group: http://www.incose.org/practice/techactivities/wg/rswg/
Resilienzansätze aus der
Katastrophenforschung/ Infrastrukturen
•  z.B. UK: Aus Erfahrung mit Überschwemmungen in 2007
–  Critical Infrastructure Resilience Programme (CIRP)
–  „Sector Resilience Plan (SRP) for Critical Infrastructure“ (2010)
gegen Überschwemmungen
•  Erhebung über bestehende Resilienz kritischer Infrastrukturen
•  Definition der „essential services“ und der bekannten bestehenden Risiken
•  Enthält einen Maßnahmenkatalog, um die max. jährliche
Eintrittswahrscheinlichkeit von Störungen der „essential services“ auf 0,5 % zu
reduzieren
Resilienz Ansätze aus der
Katastrophenforschung/ Infrastrukturen
•  Weitere SRP‘s in Arbeit für die andere Naturkatastrophen
•  Erstellung eines „National Resilience Plan for Critical
Infrastructures“ (in 2011)
•  Ansatz stark risikobasiert:
–  Risiko reduzieren,, negative Konsequenzen erkennen +
vermindern, Alternativen einplanen
•  Ähnliche Programme in Neuseeland, Kanada, USA, (D: „KRITIS“) ...
Quellen: u.A.
Kanada:
Neuseeland:
http://www.publicsafety.gc.ca/prg/em/ci/ntnl-eng.aspx
http://www.caenz.com/index.php?option=com_content&view=article&id=73&Itemid=54
http://www.infrastructure.govt.nz/
USA:
(Deutschland:
http://www.dhs.gov/files/programs/critical-infrastructure.shtm
https://www.bsi.bund.de/cln_174/DE/Themen/KritischeInfrastrukturen/EinfuehrungundUeberblick/
einfuehrungundueberblick_node.html)
Resilienzansätze in der Technik
•  Unterschiedliches Verständnis von Resilienz:
–  Eigenschaft oder Fähigkeit
–  Stabilitätsverständnis (Engineering Resilience/Ecological
Resilience)
–  Häufig als analytische Kategorie
•  Stark orientiert an Risiko und Reduzierung von
Eintrittswahrscheinlichkeiten
Resilienz Definition in nordwest2050
Resilienz beschreibt die Fähigkeit eines
Systems, seine Dienstleistungen auch unter
Stress und in turbulenten Umgebungen (trotz
massiver äußerer Störungen und interner
Ausfälle) aufrecht zu erhalten
Angelehnt an eine von Fridolin Brand vorgestellte Definition:
Resilience „reflects the capacity (i. e. the underlying
mechanisms) of [eco]systems to maintain service in the
face of a fluctuating environment and human
perturbation” (Brand 2007).
Resilienz und Vulnerabilität:
Leitkonzept und Analytische Kategorie
•  Resilienz und Vulnerabilität auseinander halten:
Resilienz ≠ Gegenteil von Vulnerabilität
Maßnahmen zur Resilienzsteigerung vermindern die Vulnerabilität
das Umgekehrte muss nicht immer der Fall sein
=> Dammbau gegen Hochwasser kann die Resilienz
(Anpassungsfähigkeit) auch vermindern
=> Resiliente Systeme als Leitkonzept für den Umgang mit Unsicherheit
=> Vulnerabilität als Analytische Kategorie
Gestaltungselemente
Systemfähigkeiten
•  Anpassungsfähigkeit
•  Widerstandsfähigkeit
•  Gestaltungsfähigkeit
Systemstrukturen
•  Vielfalt /
Diversität
•  Redundanz
•  Rückkopplungs
mechanismen
•  Pufferkapazitäten
•  Dämpfer
•  ..
Systemressourcen
•  Energie
•  Materie
•  Information /
Kommunikation
•  Organisationen
…
Gestaltungsziel: Aufrechterhaltung der Systemdienstleistung
Definition der Systemdienstleistung für den
Stromsektor (NW2050)
Eine zu definierten Zeiten gesicherte Versorgung mit
elektrischer Energie, bei Einhaltung einer definierten
Frequenz und Spannung an einem definierten Ort
unter Einhaltung weiterer direkter und indirekter
Qualitätskriterien.
Systemdienstleistung: Strom
Direkte Qualitätskriterien
  Spannung
  Frequenz
  Ausfallhäufigkeit
Indirekte Qualitätskriterien
  Ökologische Wirkungen
o  Klimawirkungen
o  Versauerung
o  Flächenverbrauch
o  …
  Ökonomische Wirkungen
o  Wirkungen auf Preise
o  Wettbewerbsfähigkeit
o  …
  Soziale Verträglichkeit
  Unfallrisiken
  ...
Definition der Systemdienstleistung für den
Stromsektor
•  Systemdienstleistungen werden EU-weit durch ENTSO-E definiert
(Transmission Code)
•  Definition basiert darauf, aber weicht etwas ab
•  Lässt Spielraum für Anpassung bei technischer Qualität
•  Frequenz und Spannungshaltung jederzeit und überall gleich?
•  Berücksichtigt Spielraum für Neben- und Folgewirkungen der
Stromerzeugung
•  Welche Risiken sollen akzeptiert werden und welche nicht 
Aushandlungsprozess
Herausforderungen der Energiewirtschaft
Quelle: http://www.elektroniknet.de/fileadmin/user_upload/wor_pics/57bd53ef6d47d87c13e2f60f0a39f210_568x528.jpg
Herausforderungen der Energiewirtschaft
Erzeugung
•  Veränderung des
Energiemixes
•  Mehr Einsatz als
Backup Kraftwerk
•  Steigender
Kühlbedarf
•  Steigende
Rohstoffpreise
•  Prognoseunsicherheit (PV, WEA)
•  (Erzeugungslücke?)
Übertragung
und Verteilung
•  Netzausbau
•  Übertragungsnetz
•  Verteilnetz
•  Lastferne Erzeugung
•  Stark fluktuierende
Einspeisung
•  Regulierung d. BNetzA
(Effizienzvergleich/
Organisationstruktur)
•  Entflechtung von Netz
und Erzeugung
Nachfrage/
Vertrieb
•  Demografische
Entwicklung
•  Preisentwicklung
•  Verändertes
Nachfragverhalten
•  Veränderung in
Energieversorgung
(Netzparität Eigenerzeugung)
Unsicherheiten in der gesamten
Wertschöpfungskette
•  Strukturen:
–  Netzplanung
–  Erzeugungsstrukturen
•  Wirtschaftlichkeit
•  Entwicklung Gesetzliche Rahmenbedingungen
•  Gesellschaftliche Akzeptanz
•  Klimawandel / Nachhaltigkeit
Gegenwärtige Lösungsansätze
•  Smart Metering / Smart Grids:
Option zur Dämpfung der Nachfragefluktuation, verbesserte
Systemflexibilität
•  Europaweite Vernetzung der Regenerativen Energien (z. B. Super
Grid ): Option zum Ausgleich und zur Dämpfung der
Angebotsfluktuation
•  Diversifizierung der Ressourcenbasis:
=> Elektrizität, Wasserstoff (als Speicher), Erdgas, Biogas,
Regenerative Energien …
Problemlösungsansatz Resiliente
Energieinfrastrukturen
•  Orientierung zunächst auf vorhandene Fähigkeiten – Strukturen Ressourcen (F-S-R) im Bezug auf Systemdienstleistungen (für
Verteilnetz: Bottom-up)
–  IuK-Technologien können ein Teil davon sein, müssen es aber
nicht... (Smart Grid)
•  Systemstruktur: Multiple stabile Zustände schaffen ( z.B. Inselnetze)
•  Adäquater Lösungsweg (Welche Störung trifft auf welches System?)
–  Stabilitätsdimension
–  Gestaltungsdimension
Mögliche Reaktionen eines resilienten
technischen Systems auf Störungen
•  Rückkehr zum Ausgangszustand möglich („Engineering Resilience“)
–  (System benötigt Speicher/Lernfähigkeit um sich zu „erinnern“)
•  Übergang in einen anderen stabilen Zustand ist ebenso möglich
(„Ecological Resilience“)
Mögliche Faktoren, die das Verhalten der Systeme beeinflussen:
•  Art der Störung (punktuell, anschwellend, schleichend,...)
•  Reaktionsmöglichkeiten des Systems (innerhalb der F-S-R)
•  Prioritäten des Systems: Auf was ist das System ausgelegt?
z.B. Erfüllung welcher Systemdienstleistungen – In welchem Fall
werden sie besser erfüllt (Entscheidungs- und
Bewertungsmechanismus)
Elemente Resilienterer
Energieversorgungsysteme
• 
• 
• 
• 
Redundanz (n-1 Prinzip)
Automatische Netzsteuerung
Task Forces
Pumpspeicher
•  Verbreiterung der
Ressourcenbasis: Regenerative,
Abwärmenutzung
•  Zusätzliche Speicherkapazitäten:
Gas, Druckluft, Batterien
•  Smartness
•  Vorhersagen (Wind, PV) und
Modellierung
Fragen der Veranstalter
Zeitliche Perspektive
•  Zeithorizont:
•  Energieinfrastrukturen: ca. 40 Jahre
•  Resilienz: kurz und langfristig
•  Zeitliche Dynamik der Störung hat Einfluss auf
Gestaltungsaufgabe
•  Langsame Veränderung von Systemfunktionen können ggf.
im Laufe der Zeit durch Veränderungen der (F-S-R)
angepasst werden
•  Problem: Werden die Veränderungen wahrgenommen?
These 1: Systemdienstleistungen sind nur partizipativ zu definieren
–  (Im Sinne von Bürgerbeteiligung) Ist für technische Systeme
teilweise schwierig realisierbar
•  Ja: Auswahl der Erzeugung (Wind vs. PV), Netzplanung - Kabel
vs. Freileitung)
•  Fraglich:
Bereitschaft Netzfrequenzschwankungen zu akzeptieren
–  These: Indirekte Systemdienstleistungen stärker beeinflussbar als direkte
–  Bisher nicht in der Energiewirtschaft: Definition durch ENTSO-E
–  Wird aber sehr viel wichtiger werden (Smart Grid, Dezentrale
Erzeugung)
Frage 2: Welche Reichweite haben Ihrer Meinung nach Resilienz und
Transformation als analytische und/oder handlungsleitende
Konzepte zur Operationalisierung von Nachhaltigkeit?
•  Resilienz ist über die Dimensionen (Latitude, Precariuosness, Breite
des Attrkatorfeldes, Panarchy) operationalisierbar d.h. analytisch
bestimmbar, als auch handlungsleitend (Leitkonzept) anwendbar
•  Die Operationalisierung von Nachhaltigkeit lässt sich über die
Definition der Systemdienstleistungen vornehmen
•  Für die Gestaltung technischer Systeme wird vermutlich die
Stabilität und Funktion des Systems im Vordergrund stehen
Frage 3: Verstehen Sie Resilienz eher als fortlaufenden Prozess oder
eher als mehr oder weniger stabilen Zustand?
•  Dynamischer Stabilitätsbegriff
•  Fortlaufender Prozess, der über die Zeit verschiedene stabile
Zustände annehmen kann
•  Resilienz kann als Ziel so nicht erreicht werden, sondern ist immer
nur ein Zustand unter bestimmten Systemparametern
Unterschiedliche ‚System‘perspektiven:
•  Perspektive auf übergreifende Systeme?
–  Entlang der Wertschöpfungskette/Über die Netzebenen
•  Perspektive auf untergeordnete Systeme (bzw. Organisationen,
Gruppen…)?
–  Im Energiebereich: Stabilität des Übertragungsnetzes hat eine
höhere Priorität als Stabilität im Verteilnetz
•  Perspektive auf Konkurrenz zwischen Resilienz-Kriterien
unterschiedlicher Systeme / Teilsysteme/Organisationen / Gruppen…?
–  Energiewirtschaftliches Dreieck (WirtschaftlichkeitVersorgungssicherheit-Umweltverträglichkeit)
–  Muss über die Systemdienstleistungen verhandelt werden
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!