Resilienz des Energiesystems

„Klimaziele einhalten und zugleich das Energiesystem robust gestalten, muss kein Widerspruch sein“

Stromausfälle, Sabotage, aber auch internationale Abhängigkeiten und geopolitische Konflikte sorgen dafür, dass unser Energiesystem verwundbar ist. Das Forschungsvorhaben REWARDS nimmt diese Risiken systematisch in den Blick – mit einem besonderen Fokus auf langfristige Systementwicklungen, Energiesouveränität und Resilienz auf dem Weg zur Klimaneutralität.

Im Interview erklären Projektleiter Dr.-Ing. Philipp Härtel vom Fraunhofer IEE und Richard Schmitz von der Universität Kassel, was Resilienz im Energiesystem bedeutet, welche Erkenntnisse sie im Rahmen des Projekts bereits gewinnen konnten und warum Kosten-Nutzen-Abwägungen eine zentrale Rolle spielen.

Herr Härtel, Herr Schmitz, auch wenn es nicht der direkte Fokus Ihres Projekts ist, was ist aus Ihrer Sicht notwendig, um unser Energiesystem besser vor Angriffen wie Cyberattacken oder Sabotage wie zuletzt in Berlin zu schützen?

Resilienz muss auf ganz unterschiedlichen Ebenen gedacht werden. Einerseits gibt es sehr kurzfristige, technisch-dynamische Fragestellungen, die zum Beispiel die Frequenz- und Spannungsstabilität im Stromnetz betreffen.

Das spielte bei großflächigen Stromausfällen wie zuletzt in Berlin oder auch 2025 auf der Iberischen Halbinsel eine Rolle. Andererseits gibt es mittel- und langfristige Aspekte, die zum Beispiel Importabhängigkeiten oder strukturelle Engpässe im Gesamtsystem betreffen.

Zurecht konzentriert sich ein Großteil der aktuellen Resilienzdebatte auf kurzfristige operative Ereignisse. Viele dieser Risiken lassen sich mit bekannten technischen Maßnahmen adressieren, etwa durch höhere Reserven, zusätzliche Schutzmaßnahmen, den Einsatz von Synchronkondensatoren oder leistungsfähigere leistungselektronische Regelungen. Solche Maßnahmen machen jedoch nur einen vergleichsweise kleinen Teil der gesamten Systemkosten aus. Die zentralen Kosten-Resilienz-Abwägungen entstehen daher weniger im operativen Betrieb als vielmehr in der langfristigen Infrastrukturplanung – also dort, wo Investitionsentscheidungen über Netze, Kraftwerke, Speicher oder Importstrukturen getroffen werden.

Zentral für den Schutz kritischer Infrastruktur sind mehrere Maßnahmen: Schwachstellen in der Infrastruktur systematisch zu identifizieren, Monitoring- und Frühwarnsysteme zu verbessern sowie Fähigkeiten zur schnellen Wiederherstellung nach einem Störfall aufzubauen. Zunehmend bedeutsam werden auch Fragen der Cybersicherheit: Mit fortschreitender Digitalisierung und wachsender Anzahl vernetzter Erzeugungs- und Verbrauchsanlagen verändern sich auch die Angriffsflächen. Aus Forschungssicht heißt das: Digitale Ebenen, Steuerungssysteme und mögliche Kaskadeneffekte müssen einbezogen werden, aber genauso auch das physische Netz.

Was bedeutet es konkret, das Energiesystem resilienter zu gestalten?

Es bedeutet nicht, Angriffe komplett zu verhindern. Kurzfristig braucht es vor allem die Fähigkeit, Ausfälle zu erwarten, zu verkraften und schnell wieder handlungsfähig zu sein. Dazu gehören Notfallpläne und Redundanzen, also Komponenten, Systeme und Maßnahmen, die als zusätzliche Reserve dienen.

Außerdem sind aus unserer Sicht drei weitere Dinge erforderlich: Erstens ist hier ein klares Bewusstsein für systemkritische Angriffspunkte wie zum Beispiel die Leitstellenkommunikation, Aggregatoren, Cloud-Abhängigkeiten oder Firmware-Updates zu nennen. Dabei ist aber nicht jeder Angriff gleich relevant – Resilienz entsteht dort, wo die größten Hebel liegen. Zweitens ist eine funktionierende Notfall- und Inselbetriebsfähigkeit, inklusive mobiler oder temporärer Ersatzlösungen wie zum Beispiel mobiler Leittechnik und manueller Fallback-Prozesse wichtig, damit das System auch unter Teilverlust weiter betrieben werden kann. Und unerlässlich ist drittens auch eine eingespielte Zusammenarbeit zwischen Betreibern, Behörden, Computer Emergency Response Teams (CERTs) und Sicherheitsdiensten – nicht nur auf dem Papier, sondern praktisch erprobt.

Gleichzeitig verändert sich mit der zunehmenden europäischen Integration der Energiemärkte und der stärkeren Sektorkopplung zwischen Strom, Gas, Wasserstoff und Wärme auch die Risikoarchitektur des Energiesystems. Resilienz entsteht heute auf mehreren Ebenen gleichzeitig. Auf europäischer Ebene ermöglicht die Marktintegration eine effizientere Nutzung von Ressourcen und gegenseitige Unterstützung zwischen Ländern. Auf nationaler Ebene bleiben jedoch Kapazitätsmechanismen, Reserven und strategische Infrastruktur entscheidend, um Versorgungssicherheit auch in außergewöhnlichen Situationen gewährleisten zu können. Eine robuste Systemarchitektur entsteht daher nicht durch maximale Autarkie, sondern durch eine ausgewogene, aber komplexe Kombination aus europäischer Integration und struktureller Redundanz.

Wie kommen wir da hin?

Langfristig geht es darum, ein systemisches Verständnis von Resilienz zu entwickeln. Das heißt erstens, dass es Resilience-by-Design in der Planung und Auslegung zunehmend integrierter Energiesysteme braucht: So werden beispielsweise Cyberangriffe und Sabotage nicht als Ausnahme, sondern als realistische Stressereignisse mitgedacht, ähnlich wie Extremwetter.

Zweitens sind regelmäßige Cyber-Stresstests wichtig, die nicht nur einzelne IT-Komponenten prüfen, sondern systemische Kaskaden und Wiederanlaufzeiten sichtbar machen. Und drittens brauchen wir koordinierte, europäische Ansätze, wie sie aktuell mit der NIS2-Richtlinie zur Stärkung der Cybersicherheit, der CER-Richtlinie über die Resilienz kritischer Infrastrukturen und das ENISA-Handbuch für Cyber-Stresstests angelegt werden: gemeinsame Szenarien, gemeinsame Stresslevel, gemeinsames Lernen aus Schwachstellen.

Helfen kann dabei die Anwendung modellgestützter, resilienter Energiesystemplanung, die das mögliche Auftreten von Extremereignissen berücksichtigt.

Hier setzt Ihr Forschungsvorhaben REWARDS an. Welches konkrete Ziel verfolgen Sie mit dem Projekt?

Die Energiesystemanalyse ist ein zentrales Instrument, um strategisch wie politisch Transformationsprozesse im Rahmen der Energiewende zu planen und zu bewerten. Deshalb entwickeln wir in REWARDS einen strukturierten Ansatz, um Aspekte der Energiesicherheit und Resilienz – also die Fähigkeit eines Energiesystems, Störungen zu verkraften und sich an veränderte Rahmenbedingungen anzupassen – systematisch in die Modellierung von Energiesystemen einzubeziehen.

Berücksichtigt werden dabei u. a. Ereignisse, die eine geringe Eintrittswahrscheinlichkeit, aber potenziell sehr hohe systemische Auswirkungen haben. Wir betrachten nicht nur kurzfristige Schocks, wie etwa die Zerstörung einer Leitung oder eines Kraftwerks, sondern auch schleichende, sogenannte Slow-Burn-Prozesse, wie politische Umbrüche oder langfristige Abhängigkeiten bei Rohstoffen und Energieträgern.

Wir stellen uns Fragen wie: Wie stark darf sich ein System auf einzelne Energieträger stützen? Wie wichtig sind Überkapazitäten, Speicher oder flexible Technologien? Auch ökonomische und gesellschaftliche Fragen, zum Beispiel bezüglich Kosten und der Bewertung von Schäden, müssen in den Blick genommen werden.

Ziel ist es, langfristig robuste und krisenfeste Transformationspfade zu identifizieren und miteinander zu vergleichen. Dabei konzentrieren wir uns auf Aspekte, die bei der langfristigen Planung integrierter Energiesysteme auftreten. Im Gegensatz zu kurzfristigen operativen Problemen sind diese Entscheidungen mit erheblichen Investitionen und Kosten verbunden. Die Grundannahme, die wir dabei politisch und gesellschaftlich voraussetzen, ist die Erreichung der Klimaneutralität.

© Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

© Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

Welche Bereiche und Perspektiven der Energieforschung sind dabei besonders relevant?

Besonders relevant sind drei Perspektiven der Energieforschung: Erstens die Energiesystemanalyse, um die zunehmende Sektorkopplung und ihre neuen Abhängigkeiten systemweit abzubilden. Zweitens die Modellierung unter Unsicherheit, da Extremereignisse nicht deterministisch auftreten und klassische Optimierungen hier an Grenzen stoßen. Und drittens der Fokus auf Infrastruktur in der Planung, weil sich die zentralen Trade-Offs zwischen Resilienz und Systemkosten langfristig genau dort entscheiden.

Dabei zeigen sich im stark erneuerbaren Energiesystem insbesondere zwei grundlegende Instrumente zur Erhöhung der Resilienz. Erstens die Nutzung kurzfristiger Flexibilität, etwa durch Batteriespeicher oder Demand Response. Diese können Kaskadeneffekte reduzieren und helfen, Ausfälle schneller zu überbrücken, sind jedoch energetisch und zeitlich begrenzt. Zweitens gesicherte Backup-Kapazitäten, beispielsweise strategische Reserven konventioneller Kraftwerke. Sie können auch langanhaltende Extremereignisse absichern, verursachen jedoch hohe Fixkosten bei gleichzeitig geringer Auslastung. Die zentrale Herausforderung besteht darin, eine geschickte und kostenverträgliche Balance zwischen solchen Maßnahmen zu finden.

Das Vorhaben läuft noch bis Anfang 2027. Welche Ergebnisse und Erkenntnisse konnten Sie seit Projektbeginn bereits erzielen? Was haben Sie noch geplant?

Seit Projektbeginn haben wir vor allem drei Dinge erreicht: Konzeptionell haben wir geklärt, wie Energiesicherheit, Resilienz und Verwundbarkeit voneinander abzugrenzen sind und zusammenhängen. Weiterhin haben wir systematisch erfasst, welche Handlungsoptionen ein integriertes Energiesystem im Krisenfall überhaupt hat. Zudem haben wir analysiert, welche Arten von Schocks und Störfällen denkbar sind, in welchen Transformationspfaden Extremereignisse besonders hohe Schäden verursachen und welche Systemkomponenten besonders betroffen sind. (Mehr dazu hier.)

Modellgestützt konnten wir quantifizieren, wie das Energiesystem auf veränderte Verfügbarkeiten reagiert – sowohl unter Berücksichtigung unterschiedlicher Verfügbarkeitsprofile von konventionellen Kraftwerken, als auch in einer Analyse, in der wir den Ausfall von rund 20 Prozent der Offshore-Windkapazitäten im Szenariojahr 2045 als Ex-post-Analyse untersucht haben. (Mehr dazu hier.)

Derzeit sind wir dabei, Kapazitäts- und Schockereignisse direkt in die vorausschauende Energiesystemplanung zu integrieren und zu analysieren, wie sich ihre Wirkung je nach Zeitpunkt und räumlicher Verortung im Transformationspfad verändert.

Was sind Herausforderungen, vor denen Sie standen oder noch stehen?

Wenn man sich ein Szenario vorstellt und annehmen könnte, zu 90 Prozent verläuft alles normal und zu zehn Prozent passiert ein Extremereignis, dann kann man das im Modell leicht umsetzen und erfassen, welche Effekte im Ergebnis auftreten. Aber so einfach ist es leider nicht. Wahrscheinlichkeiten für das Eintreten von Extremereignissen in der Zukunft zu ermitteln ist schwierig. Dafür gibt es kaum belastbare historische Daten, gleichzeitig ist davon auszugehen, dass unter dem fortschreitenden Klimawandel insbesondere Wetterextreme häufiger auftreten. Viele dieser Ereignisse sind neu oder systemisch, weshalb ihre Quantifizierung schwierig ist. Deshalb arbeiten wir mit variierenden Wahrscheinlichkeiten anstatt mit festen Annahmen, um Tendenzen aufzuzeigen.

Auch die zeitliche Dimension stellt uns vor Herausforderungen. Einmalig auftretende Extremereignisse in einem Energiesystemmodell zu modellieren, das in Fünf- bis Zehn-Jahres-Schritten rechnet, ist komplex. Ein Extremereignis passiert in einem konkreten Jahr, seine Folgen wirken jedoch über mehrere Jahre – diese zeitliche Rückkopplung ist in klassischen Energiesystemmodellen schwer abzubilden. Auch Fragen der Diskontierung sind relevant: Wie bewertet man Kosten und vermiedene Schäden heute im Vergleich zu einem System in 30 Jahren – sowohl finanziell, politisch als auch gesellschaftlich?

Was bedeuten Ihre Erkenntnisse für die aktuelle und zukünftige Forschung? Wo sehen Sie noch Forschungsbedarf?

Mit REWARDS konnten wir zeigen: Resilienz und Unsicherheit sind auf der Ebene der langfristigen Energiesystemplanung systematisch modellierbar. Insbesondere die Kombination stochastischer und robuster Ansätze eröffnet unterschiedliche Zugänge zum Umgang mit Unsicherheit und macht robuste Transformationspfade vergleichbar. Und: Die Klimaziele einzuhalten und gleichzeitig das Energiesystem robust zu gestalten, muss kein Widerspruch sein. Mit vorausschauender Planung ist es möglich, sich auf Ereignisse einzustellen und ein Energiesystem zu entwickeln, das diese so weit wie möglich abfedert. Mit der Einschränkung, dass wir natürlich nur Störfälle modellieren können, die wir uns nach derzeitigem Stand vorstellen können.

Weiterhin ist es ratsam, sich nicht zu sehr auf ein primär strom- oder primär gasbasiertes System zu stützen. Die Diversifizierung von Energieträgern und eine stärker dezentrale Struktur können Abhängigkeiten reduzieren und die Resilienz des Gesamtsystems erhöhen. Das sind Forschungserkenntnisse, auf die sich aufbauen lässt.

Gleichzeitig gibt es Forschungsbedarf dahingehend, dass unterschiedliche Planungsebenen bislang noch zu wenig zusammengedacht werden. Langfristige Systemplanung, mittelfristige Netzplanung und kurzfristige Betriebsfragen wie stündliche Dispatch-Entscheidungen und operative Reaktionen folgen oft getrennten Modelllogiken. Die in der Planung gewonnenen Resilienz-Erkenntnisse müssen stärker mit der Betriebsebene verknüpft werden – bis hin zur Analyse konkreter Entscheidungsprozesse und Verwundbarkeiten im laufenden Systembetrieb. Da lässt sich auch wieder die Brücke zum Einstieg in unser Gespräch schlagen: In aktuellen Diskussionen denken wir zu stark in kurzfristigen Sphären. Wir plädieren hingegen dafür, auch die langfristige Planungsebene stärker in den Fokus zu rücken. Hier stellen sich Abwägungsfragen zwischen Klimaschutz, Versorgungssicherheit und Kostenverträglichkeit, die in Resilienzanalysen stärker adressiert werden müssen.

Inwiefern können die Erkenntnisse Ihrer Forschung in der Praxis für Entscheidungsträger von Nutzen sein?

Unsere Forschung zeigt, wie Resilienz systematisch in die integrierte Energiesystemplanung eingebunden werden kann, um auch unter Unsicherheit eine zuverlässige und langfristig kosteneffiziente Energieversorgung zu ermöglichen. Im Unterschied zu rein deterministischen Planungsansätzen macht ein solcher Zugang sichtbar, wie empfindlich Infrastrukturen gegenüber Extremereignissen sind und wo gezielte Vorsorge besonders wirksam ist.

Für Akteure in der Praxis – etwa in Planung, Regulierung und Systembetrieb – bedeutet das eine bessere Entscheidungsgrundlage, um frühzeitig in robuste, zukunftsfähige Infrastrukturen zu investieren, statt erst auf Krisen reagieren zu müssen. Politische Entscheidungsträger, Planer und Behörden können mit Hilfe unserer Ergebnisse besser einschätzen, welche Maßnahmen die Resilienz tatsächlich erhöhen, welche Kosten damit verbunden sind, und wo Investitionen besonders wirksam sind. Energiesystemmodelle prägen heutzutage Investitions- und Politikentscheidungen maßgeblich mit. Wenn Resilienz dort nicht explizit mitgedacht wird, werden Systeme zwar effizient, aber nicht zwangsläufig auch robust – und das kann im Ernstfall teuer werden.

Das Interview führte Uschi Jonas, Wissenschaftsjournalistin beim Projektträger Jülich.