Das menschliche Gehirn enthält etwa 86 Milliarden Neuronen. Sie kommunizieren über elektrische Impulse miteinander – und lösen so unter anderem Bewegungen der Muskeln aus. Wie elegant wäre es, wenn man sich den Umweg bisheriger Human Machine Interfaces vom Gehirn über die Muskeln bis zum Umlegen eines Schalters sparen und direkt mit den elektrischen Impulsen des Gehirns ein Gerät steuern würde? Tatsächlich machen das sogenannte Brain Computer Interfaces (BCI) oder Brain Machine Interfaces (BMI) möglich.

Geräte werden kleiner und preiswerter

Im Jahr 1925 zeichnete der deutsche Psychiater Hans Berger das erste menschliche Elektroenzephalogramm (EEG) auf. Seitdem hat sich die Technologie im Bereich der Gehirn-Computer-Schnittstellen und der Datenverarbeitung ständig verbessert. Seit mindestens zehn Jahren geht der Trend bei der EEG-Hardware dahin, die Geräte kleiner, drahtlos, tragbar und preiswerter zu machen. Bereits über relativ einfache Headsets können grundlegende Messungen der Gehirnströme erfolgen. Das ermöglicht auch immer mehr praktische Anwendungen außerhalb des Labors. Letztendlich könnten BCI nicht nur zur Steuerung von Neuroprothesen verwendet werden, sondern auch für alle computergestützten Geräte wie Smartphones, Tablets oder ein Smart Home. Zunehmend absehbar werden darüber hinaus immer weitere nicht-medizinische Use-Cases, die von der PC-Spieleindustrie hin zur simultanen Steuerung von Drohnenschwärmen reichen. Die US-amerikanische Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) arbeitet sogar an einem fortschrittlichen Kommunikationssystem auf Basis von BCI – mit der „Silent Talk“ genannten Lösung sollen Soldaten und Militärpersonal Befehle über telepathische Kommunikation erteilen.

Medizinische Anwendungen dominieren noch

Noch ist aber der Medizinsektor der dominierende Markt für BCI. „Aktive und passive BCI werden bereits eingesetzt, um die Bewegungskontrolle bei Parkinson mit tiefer Hirnstimulation zu verbessern, epileptische Anfälle zu detektieren oder Hirnerkrankungen zu diagnostizieren. Der digitale und technische Fortschritt bietet ungeahnte neue Möglichkeiten und hat ein breites wissenschaftliches und wirtschaftliches Interesse geweckt“, schilderte Prof. Florian Mormann von der Deutschen Gesellschaft für Klinische Neurophysiologie und Funktionelle Bildgebung (DGKN).

So können BCI auch die Hirnaktivität in Steuersignale für externe Geräte wie Prothesen, Roboter oder Exoskelette übersetzen. Bidirektionale BCI erlauben es darüber hinaus, das Gehirn gezielt elektrisch anzuregen, beispielsweise um ein Tastempfinden beim Steuern einer Prothese zu simulieren.

„Die Medizintechnik hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht“, so Prof. Dr. Alessandro Del Vecchio, Leiter des Neuromuscular Physiology and Neural Interfacing Laboratory (N-squared Lab) an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU). „Allerdings gibt es noch viel Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Bereich der Feinmotorik, um zum Beispiel die Bewegung einzelner Finger gelähmter Hände zu ermöglichen.“ Gemeinsam mit dem Institut für Fabrikautomation und Produktionssystematik der FAU will das N-squared Lab eine Neuroorthese entwickeln, die die Handfunktion so weit wiederherstellt, dass die Patienten mehr als 90 Prozent der alltäglichen Aufgaben selbstständig erledigen können. „Unser Ziel ist es, die Finger und den Daumen der Hand unabhängig voneinander und mit hoher Kraft zu bewegen“, sagt Del Vecchio.

Genauigkeit steigern

Grundsätzlich kann bei BCI zwischen invasiven – die Schnittstelle wird ins Gehirn implantiert – , teilinvasiven und nichtinvasiven Systemen unterteilt werden. Nichtinvasive BCI haben aktuell noch den weitaus größten Umsatzanteil, denn sie ersparen dem Patienten einen aufwendigen und risikobehafteten chirurgischen Eingriff am Gehirn. „Wir haben bereits ein nichtinvasives BCI-System entwickelt, das es Menschen mit hoher Querschnittslähmung ermöglicht, mit willkürlicher Veränderung ihrer Hirnströme, Alltagsgegenstände zu greifen“, berichtet Prof. Dr. Surjo R. Soekadar, Einstein-Professor für Klinische Neurotechnologie an der Charité, und fügt hinzu: „Trotz der beachtlichen Fortschritte ist es bislang jedoch nicht gelungen, komplexe Handbewegungen mit einem solchen nicht-invasiven System zu steuern.“ Doch genau das will das Team um Prof. Soekadar erreichen: Es erprobt derzeit den Einsatz von ultragenauen Sensoren, sogenannten Quantensensoren, die Hirnaktivität mit einer wesentlich höheren Genauigkeit an der Kopfoberfläche messen können als EEG oder andere nichtinvasive Methoden. Grundlage der Hightech-Sensoren sind gasförmige Atome, die als Magnetfeldsonden fungieren und die auf die elektrischen Hirnsignale reagieren.

Chip im Gehirn

Noch einmal deutlich mehr und genauer können implantierte BCI Gehirnimpulse erfassen. Tatsächlich testen bereits Unternehmen wie Synchron oder Neuralink entsprechende Implantate am Menschen. Elon Musk war 2016 Mitbegründer von Neuralink und hat versprochen, dass die Technologie „es Menschen mit Lähmungen ermöglichen wird, ein Smartphone mit ihrem Gedanken schneller zu bedienen als jemand, der die Daumen benutzt“. Letztendlich aber soll der implantierte Chip das menschliche Gehirn leistungsfähiger machen, bis hin zu einem Verschmelzen des Gehirns mit Künstlicher Intelligenz. Aus Sicht von Prof. Mormann ist das nach heutigem Stand noch reine Zukunftsmusik: „Neuroenhancement bedeutet gezielte und spezifische Beeinflussung von Hirnaktivität. Voraussetzung dafür ist ein detailliertes und mechanistisches Verständnis dieser Aktivität. Unser Wissen dazu ist bislang allerdings noch viel zu unvollständig und lückenhaft.“

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Was ist ein Cobot?

Ein Cobot, oder kollaborativer Roboter, ist ein Roboter, der eine Reihe von Sicherheitsmerkmalen und Eigenschaften besitzt, die es ihm ermöglichen, nicht nur in der Nähe von Menschen zu arbeiten, sondern oft auch in Zusammenarbeit mit ihnen.

Seit einigen Jahren drängt eine neue Generation an Robotern auf den Markt, die die Automatisierung von Abläufen bei gleichzeitig geringen Kosten und unkomplizierter Zusammenarbeit mit Menschen ermöglicht: die Cobots. Prof. Dr. Robert Grebner, Präsident der Technischen Hochschule Würzburg-Schweinfurt: „Cobots sind ein wichtiger nächster Schritt auf den Weg in die Automatisierung komplexer Bewegungsabläufe. Überall, wo körperlich anstrengende und monotone Arbeiten stattfinden, werden Cobots die Arbeit für den Menschen erleichtern, indem sie in Arbeitsprozesse integriert werden.“

Um die Sicherheit des Menschen zu gewährleisten, sind quasi die gesamten Cobots eine einzige Mensch-Maschine-Schnittstelle. Denn nahezu jede ihrer Komponenten ist mit Sensorik ausgestattet, um Menschen zu erkennen. So ist es im Gegensatz zu klassischen Robotik-Anwendungen möglich, dass auf Schutzzäune oder ähnliches verzichtet werden kann.

32 Prozent Plus jedes Jahr

Der globale Markt für Cobots wächst von 1,23 Milliarden US-Dollar in 2022 auf 11,04 Milliarden US-Dollar in 2030

Quelle: Grand View Research

Wahrnehmung des Umfelds

So überprüft eine sensible Kraftüberwachung kontinuierlich Drehmoment und Drehzahl der verschiedenen Antriebe. Stößt der Roboter auf ein Hindernis – was auch ein Mensch sein kann – wird sofort die Bewegung gestoppt oder sehr vorsichtig und behutsam weitergeführt. Weitere Sensoren ermöglichen die Wahrnehmung des Umfelds. Die Roboter können so ihre Arbeitsweise frühzeitig anpassen, wenn sich ein Mensch nähert. Beim schwedischen Beleuchtungshersteller Fagerhult Belysning arbeiten zum Beispiel drei Cobots von Motoman. Die Roboter mit jeweils zehn Kilogramm Tragkraft übernehmen unter anderem komplexe Montageschritte. Die Besonderheit: Die Cobots wechseln zwischen klassischem Industrieroboter-Modus mit voller Geschwindigkeit und einem sicheren kollaborativen Modus. Dazu erkennen Sicherheitsscanner, ob sich ein Mitarbeiter dem definierten Sicherheitsbereich nähert und bremsen dann auf ein ungefährliches Tempo herab.

Je näher, desto langsamer

Das Sicherheitssystem „sBot Speed“ von Sick ermöglicht darüber hinaus eine adaptive Wahrnehmung des Umfelds: Durch die Koordination von Laserscanner und Sicherheitssteuerung wird der Roboter kontinuierlich verlangsamt, während sich eine Person weiter in den Arbeitsbereich des Roboters bewegt, bis er schließlich vollständig zum Stillstand kommt. Die Möglichkeit, die Betriebsbedingungen des Roboters automatisch an die Position von Personen im Umfeld anzupassen, schützt vor Unfallgefahren und verbessert gleichzeitig die Produktivität, denn Stillstandszeiten werden reduziert und Arbeitsabläufe optimiert.

Smarte Sicherheitszonen

Einen etwas anderen Ansatz verfolgt ein Forscherteam vom Fraunhofer IWU. Das Team teilte die Wahrnehmungsbereiche des Roboters neu ein – in smarte Zonen. Bei schnelleren Bewegungen „wächst“ eine solche Zone, um ein Kollisionsrisiko mit Menschen auszuschließen. Für die Umfelderfassung kommt dabei Lidar-Sensorik (Light Detection and Ranging), die über gepulstes Laser-Licht Objekte erkennt und kategorisiert, ebenfalls zum Einsatz wie Kameras. Die Kombination von Reaktionszeiten (Lidar: 50 Millisekunden, Kamera: 10 Millisekunden) und Überwachungsbereichen (Lidar: größere Bereiche; Kamera: Nahfeld) erlaubt nun schnellere Bewegungen des Roboters. Zwar muss bei menschlicher Annäherung auch weiterhin das Tempo gedrosselt werden, aber deutlich weniger als bisher: Rund 25 Prozent schnellere Roboterbewegungen bedeuten einen erheblichen Effizienzgewinn.

Sensoren effizient verdrahten

Die zahlreichen Systeme, die für die Sicherheit des Menschen sorgen, erfordern in traditionellen Roboterarchitekturen viele Kabelverbindungen für Sensoren und Aktoren. Deutlich reduzieren lässt sich der Verkabelungsaufwand durch den Einsatz der FSoE-Technologie, oder Fieldbus-Safety over EtherCAT. Fraunhofer IWU, NexCobot und Synapticon haben gemeinsam eine entsprechende Sicherheitsarchitektur entwickelt. Sie ist dezentral ausgelegt und ermöglicht ein sicheres Miteinander von Mensch und Roboter auch dann, wenn sich die Arbeitssituationen dynamisch verändern – bei deutlich reduziertem Verkabelungsaufwand. „Ein intelligentes Sicherheitssystem überwacht die relevanten Bereiche und passt die Robotersteuerung situativ an jede denkbare Interaktion zwischen Mensch und Roboter an“, betont Dr. Mohamad Bdiwi, Teamleiter Kollaborative Robotersysteme am Fraunhofer IWU. Ein weiterer Vorteil: Da die Sicherheit der Bewegungsabläufe direkt an der Antriebsachse überwacht wird, verstreicht deutlich weniger Reaktionszeit.

Handgeführtes Teaching

Doch nicht nur bei der Zusammenarbeit unterscheiden sich Cobots von klassischen Industrierobotern in ihrer Interaktion mit dem Menschen, auch beim Programmieren. Denn auch ein Mensch, der kein Roboter-Experte ist, soll dem Cobot schnell und einfach eine neue Aufgabe „beibringen“ können. Zum einen wird dabei auf grafische Programmiersysteme oder auch Apps für Tablets oder Smartphones gesetzt, die keine spezifische Ausbildung voraussetzen. Vor allem aber lernt der Cobot die Ausführung bestimmter Aufgaben, indem der Mensch ihn buchstäblich an die Hand nimmt: Der Mitarbeiter führt manuell den Roboterarm durch das geforderte Bewegungsprofil. Über zusätzliche Bedienknöpfe „am Handgelenk“ werden die jeweiligen Positionen gespeichert – so muss nicht immer jede Position auf dem Handbedienpanel des Roboters bestätigen werden. Durch das sogenannte handgeführte Teaching ist der Cobot sehr schnell einsatzbereit – Mensch und Maschine arbeiten hier tatsächlich Hand in Hand.

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Auch bei Land- und Baumaschinen rückt der Mensch immer weiter in den Mittelpunkt der Mensch-Maschine-Kommunikation. Das bedeutet, dass die Branche zunehmend herkömmliche Bedienkonzepte überdenken muss: „Die Baustelle der Zukunft ist ein stärker vernetzter Ort und die sogenannte Gamification wird eine wichtige Rolle spielen. Der demografische Wandel und die Vorlieben der Verbraucher drängen unsere Branche in Bereiche, die im Maschinensektor bisher unbekannt waren oder unzureichend genutzt wurden“, erklärt Vijayshekhar Nerva, Head of Innovation and Acceleration bei Doosan Bobcat EMEA.

Per Smartphone gesteuerter Lader

Anschaulich zeigt das die Fernsteuerung per Smartphone, die Bobcat entwickelt hat. Damit kann der Bediener seinen Kompaktlader innerhalb von Sekunden fernsteuern, ohne sich um zusätzliche Geräte kümmern zu müssen. Per Smartphone kann die Maschine in eine staubige oder potenziell unsichere Umgebung geschickt werden und erledigt dort ihre Arbeit, während der Bediener in sicherer Entfernung bleibt. Die Fernsteuerung kommuniziert über ein WLAN-Signal mit dem iOS-Gerät des Kunden und arbeitet in einer Reichweite von bis zu 100 Metern.

Bedienung per Touch

Doch auch die Bedienelemente in der Fahrerkabine entwickeln sich weiter. Da Land- und Baumaschinen über immer komplexere Funktionen verfügen, finden auch im Off-Road-Sektor Touchscreens zunehmend Einsatz. Denn mit ihnen lässt sich eine Vielzahl von Informationen gezielt aufrufen und anzeigen. Mit speziellen Druckgussgehäusen und robusten Klebetechnologien halten Touchscreens auch den in diesem Bereich unvermeidbaren Schlägen und Vibrationen stand. Dabei bietet der integrierte PCAP-Touch optimale Voraussetzungen für eine komfortable Steuerung von Maschinenfunktionen. PCAP steht für „Projected Capacitive Touch“. Bei dieser Technik wird eine Fenster- oder Glasoberfläche tastsensitiv ausgeführt, sodass die Benutzer agieren können, wie sie es von einem Tablet oder Smartphone mit Touchscreen gewöhnt sind.

Kommunikation per Vibration

Da der visuelle und akustische Sinneskanal des Maschinenführers im Arbeitsalltag eh schon stark gefordert ist, hat das Unternehmen elobau ein Vibrationsmodul für Joysticks entwickelt. Mithilfe bestimmter Vibrationsmuster lässt sich eine hochwertige taktile Rückmeldung erzeugen, die die Mensch-Maschine-Kommunikation effizienter gestaltet. Der Vibrationsmotor des Moduls wird von einem Elektronikmodul über den CAN-Bus angesteuert. Hersteller können über das CAN-Protokoll unterschiedliche Parameter wie Stärke, Dauer oder Anzahl der Vibrationen definieren. Diese Parameter erzeugen individuelle, auf die Anwendung angepasste und vor allem intuitive Vibrationseffekte. So lässt sich der zu transportierende Informationsgehalt deutlich erhöhen, verglichen mit einfachen punktuellen Klopfsignalen.

Adaptives Konzept

Mit der Vielzahl an Funktionen, die in heutigen Arbeitsmaschinen bedient werden müssen, wird die Bedienkonsole schnell unübersichtlich. Eine Lösung verspricht das Verbundprojekt aISA (adaptive Interfacesysteme im Ackerschlepper). Dabei wurde eine adaptive Armlehne entwickelt, die jeweils ausschließlich die Funktionen des aktuell verwendeten Anbaugeräts zur Verfügung stellt. Durch den Isobus kann sich die intelligente Bedienarmlehne adaptiv an jedes Anbaugerät anpassen, sobald dieses angekoppelt wird. Sie stellt dem Nutzer hinsichtlich Position, Verfügbarkeit, Visualisierung und Betriebsmodus jeweils eine optimale und ergonomische Schnittstelle zur Verfügung. Zu den Komponenten zählt unter anderem ein vielseitiger Joystick, der in Abhängigkeit von der benötigten Funktion vier unterschiedliche Positionen einnehmen kann, wobei er sich beispielsweise einfährt, wenn seine Funktion nicht erforderlich ist. Weitere Bedienelemente werden über eine rotatorische Bedieneinheit zur Verfügung gestellt. Jede Position stellt sich entsprechend des angekoppelten Arbeitsgerätes ein und präsentiert lediglich die gerade notwendigen Funktionen.

Automatisiertes Belastungsmanagement

Bei der Arbeit mit Bau- und Landmaschinen gibt es typischerweise Phasen sowohl sehr hoher als auch relativ geringer Belastung. „Verschiedene Studien haben gezeigt, dass das Wohlbefinden der Menschen am höchsten ist, wenn ein mittleres Beanspruchungsniveau vorliegt“, berichtet Professor Marcus Geimer vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Eine Überbelastung führe dazu, dass der Fahrer sich nicht genügend auf die wichtigen Aspekte konzentrieren könne, Dinge übersieht und fehleranfälliger wird. Auf der anderen Seite ist auch eine Unterforderung – zum Beispiel durch eine vollständige Automatisierung – ein Problem. Die Langeweile, die dadurch entsteht, führe zu Müdigkeit und Konzentrationsverlust.

Im Rahmen des Forschungsprojekts „Fahrerkabine 4.0“ wird am KIT deshalb eine „anpassungsfähige Mensch-Maschine-Schnittstelle“ für Landmaschinen entwickelt. Sie ist in der Lage, über Eye-Tracking das aktuelle Beanspruchungslevel der Fahrerinnen und Fahrer zu erkennen. Auch an einem Fitnessarmband, das mithilfe von Lichtsignalen den Puls ermittelt und so das Stresslevel messen kann, wird geforscht. Erkennt das System eine Überforderung, werden alle unwichtigen Informationen ausgeblendet. In Situationen der Unterforderung sollen dem Fahrer zusätzliche Aufgaben angeboten werden. „Sinnvolle Zusatzaufgaben für Phasen geringer Belastung kommen aus der Buchhaltung, dem Personal- oder Materialmanagement sowie dem privaten Aufgabenfeld“, erklärt Patrick Lehr vom Institutsteil „Mobile Arbeitsmaschinen“ am Institut für Fahrzeugsystemtechnik des KIT. Die Handlungsempfehlungen sollen künftig über eine auf Augmented Reality basierende Schnittstelle ins Sichtfeld des Fahrers projiziert werden, um die Kabine nicht mit Bedienelementen zu überladen.

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Vernetzte Infrastrukturen aus elektronischen und digitalen Technologien sollen das Leben in der Stadt positiv verändern. Energieeinsparungen, ein effizienterer Verkehrsfluss, mehr öffentliche Sicherheit und eine gesündere Umwelt sind nur einige der vielen Vorteile, die eine Smart City bieten kann.

Digital Signage als Schnittstelle

Die wichtigste Schnittstelle zwischen den Bürgern und der Smart City ist dabei sicherlich das Smartphone, über dass sich der Mensch mit der Infrastruktur vernetzen und mithilfe entsprechender Apps Informationen abrufen, aber auch liefern kann. Doch darüber hinaus ist auch das sogenannte Digital Signage eine wichtige Ressource für Verwaltung, öffentlichen Nahverkehr und Bürger.

So bieten digitale Infostelen der Firma ST-Digital in Luzern interaktive Stadtpläne, ein vielfältiges Informationsangebot und zusätzlichen Werbecontent. Smart City Maps erleichtern Passanten und Touristen dank des integrierten Touchscreens die Orientierung in der Innenstadt. Wegbeschreibungen, Wetterprognosen oder eine umfangreiche Informationsauswahl zu Zielen in der Umgebung sind weitere Beispiele für das Angebot. Die Firma Inputech bietet sogar digitale Anzeige- und Eingabesysteme, die optional mit visuellen Sensoren erweitert werden können. Somit werden Eigenschaften, wie beispielsweise Alter, Größe und Geschlecht des Passanten, erkannt, und die auf dem Display gezeigte Information wird gruppenspezifisch abgestimmt.

Robuste Signage-Lösung

Die Stadtverwaltung der Gemeinde Bussigny im Schweizer Kanton Waadt nutzt eine Digital Signage-Lösung für den Außenbereich, die es ihr ermöglicht, die Kommunikation mit den Bürgern an verschiedenen Standorten zu verbessern. Bei der Entwicklung standen die Verantwortlichen vor einigen Herausforderungen: Die Lösung für den Außenbereich sollte zum einen den Elementen standhalten, da sie das ganze Jahr über extremen Witterungsbedingungen ausgesetzt ist. Zum anderen sollte das System in einer öffentlichen Umgebung installiert werden und daher auch besonders stoßfest sein, um vor möglichen Schäden durch Vandalismus geschützt zu sein. Gefragt war eine Display-Lösung mit einem Stoßfestigkeitsgrad IK10 nach EN 62262. Eingesetzt wurden schließlich spezielle Outdoor Digital Menu Boards von Peerless-AV.

Die Smart City-Kioske des Herstellers verfügen über ein vollständig abgedichtetes, nach IP66 zertifizierte Design. Das verhindert das Eindringen von Fremdkörpern wie Wasser, Staub, Feuchtigkeit und Insekten in das Display. Wichtig gerade für die Aufstellung in der Stadt ist zudem eine hohe Temperaturfestigkeit: Die Displays arbeiten auch bei Betriebstemperaturen zwischen -35 °C bis 60 °C. Sie können mit einem optionalen IR-Touch-Overlay erweitert werden, das bis zu zehn Berührungspunkte erkennen kann. Gehäuse aus Edelstahl, Aluminium und eine entsprechende Lackierung bieten eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion und auch gegenüber Vandalismus. Zudem verfügt das Display über ein stoßfestes, gehärtetes Abdeckglas mit IK10-Einstufung.

Oberflächen schützen

Sensible resistive sowie kapazitive Touchscreens, aber auch Frontfolien-Tastaturen sind die wichtigsten Human Machine Interfaces im öffentlichen Bereich. Die Oberflächen der Eingabegeräte müssen dabei gegen vielfältige Umgebungsbedingungen geschützt werden, wie etwa Hitze, UV- oder EMV-Strahlung. Auch sollte sie resistent gegen Vergilbung sein. Neben einer kratzfesten Displayoberfläche und einem Splitterschutz bei Bruch muss sie jedoch auch vor Vandalismus geschützt werden. Erreicht werden kann das durch das Laminieren der Oberflächen mit speziellen Folien. Die zum Einsatz kommenden Folien und Laminierverfahren sind abhängig von der gewünschten Technologie (resistiv oder kapazitiv), der Oberfläche (Glas oder Kunststoff) sowie dem Einsatzbereich und den jeweiligen Umgebungsbedingungen. Touchscreens können zudem durch gehärtetes Schutzglas, was bis zu 10 Millimeter dick sein kann, geschützt werden. Eine alternative Option besteht darin, Sicherheitsglas zu verwenden, das so konzipiert ist, dass es in kleine, abgerundete Stücke zerbricht, wenn es zerstört wird.

Die Möglichkeiten intelligenter digitaler Schilder werden zurzeit erst noch erforscht. Sicher ist aber, dass sie es Städten ermöglichen, kontextbezogene und personalisierte Informationen für ihre Gemeinden bereitzustellen und so allen Beteiligten Vorteile bieten werden.

Was ist die IK-Norm EN 62262?

Die EN 62262 befasst sich mit der Widerstandsfähigkeit bzw. dem Stoßfestigkeitsgrad IK eines elektrischen Betriebsmittels gegen äußere mechanische Beanspruchung, insbesondere Schläge. Es gibt 12 Festigkeitsklassen, angefangen bei der niedrigsten Kategorie IK00 bis hin zur höchsten Klassifizierung IK11.

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Raumheizung und Warmwasserbereitung machen etwa die Hälfte des weltweiten Energieverbrauchs in Gebäuden aus. Fast zwei Drittel der Heizenergie stammen aus fossilen Brennstoffen. Im Jahr 2022 emittierte die Heizung und Warmwasserbereitung direkt und indirekt rund 4,2 Gigatonnen CO₂, was mehr als 80 Prozent der CO₂-Emissionen des Gebäudesektors entspricht.

„Die Pariser Klimaziele erfordern einen sehr bewussten Umgang mit den verfügbaren Ressourcen. Für die Wärmeversorgung bedeutet das, so viel wie möglich der vorhandenen Energie zu nutzen und bei Bedarf zu ergänzen“, erklärt Dr. Dietrich Schmidt vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE.

Wärmepumpen nutzen die vorhandene Umweltwärme und heben sie mit Hilfe von Strom auf ein höheres Temperaturniveau. Da der benötigte Strom in der All Electric Society CO₂-frei erzeugt werden soll, sind Wärmepumpen ein wichtiger Bestandteil zur Dekarbonisierung des Heizsystems.

Der globale Markt für Wärmepumpen wird voraussichtlich mit einer jährlichen Wachstumsrate von 11,8 Prozent wachsen, von 90,1 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 auf 157,8 Milliarden US-Dollar bis 2029.
(Quelle: MarketsAndMarkets)

Unterstützung des Stromnetzes

Zusätzlich tragen Wärmepumpen zur Stabilisierung des Energiesystems bei und können das Stromnetz unterstützen. Da Wärme einfacher zu speichern ist als Strom, können diese Systeme mit einem Wasserspeicher kombiniert werden, um vorzuwärmen, wenn ausreichend Strom im Netz verfügbar ist und besonders günstig ist.

„Wärmepumpen passen gut in ein klimaneutrales Energiesystem, da sie auf das Stromangebot reagieren können. Durch eine zentrale netzfreundliche Steuerung können sie sich einschalten, wenn Solar- und Windenergie ausreichend Strom liefern. Dies trägt zur Glättung von Nachfragespitzen und Angebot im Stromnetz bei. Diese Flexibilität ist ein Schlüsselbaustein für ein zukünftiges Energiesystem“, sagt Dr. Dietrich Schmidt.

Effizienzsteigerung

Das Hauptziel bei der Weiterentwicklung der Wärmepumpentechnologie ist die Effizienzsteigerung. Ein Schlüsselfaktor dabei ist die Antriebstechnik: Durch die Verbesserung der Leistungselektronik der Wechselrichter, die den Kompressor und je nach Typ den Lüfter steuern, kann die Gesamtwirkungsgrad einer Wärmepumpe gesteigert werden. Der Einsatz von Siliziumkarbid-Halbleitern in den Antriebswechselrichtern kann die Verluste im gesamten Antriebssystem um bis zu 15 Prozent reduzieren. Verschiedene Hersteller bieten außerdem integrierte Leistungsmodulen an, die den Energiefluss zu den Wechselrichtern steuern. Diese Module umfassen Leistungshalbleiter sowie viele passive diskrete Komponenten – ein typisches Leistungsmodul ersetzt zwischen 45 und 100 diskrete Komponenten. Der Vorteil dieser Lösung ist ein kleinerer Platzbedarf und deutlich kürzere Entwicklungszeiten.

Kompression durch Rotation

Neben „klassischen“ Kompressor-Wärmepumpen werden auch Alternativen entwickelt: Konventionelle Wärmepumpen nutzen den zweiphasigen Rankine-Zyklus. Die Wärmepumpen des Wiener Start-ups Ecop hingegen nutzen den Joule-Zyklus, bei dem das Arbeitsmedium keinen Phasenwechsel durchläuft und im gasförmigen Zustand bleibt. Die Kompression erfolgt durch Zentrifugalkraft: Das Arbeitsgas der Wärmepumpe zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf, der sich um eine Achse dreht. Diese rotierende Wärmepumpe erreicht eine deutlich höhere Effizienz als herkömmliche Wärmepumpen mit einer Temperaturerhöhung von bis zu 100 Kelvin und Ausgangstemperaturen von 200 Grad Celsius. Die Wärmepumpen des österreichischen Start-ups sind jedoch (bislang) wahre Giganten – acht Meter lang und 16 Tonnen schwer. Aufgrund ihrer hohen Ausgangstemperatur werden sie hauptsächlich in industriellen Prozessen eingesetzt.

Das elektrokalorische Prinzip

Forscher verschiedener Fraunhofer-Institute verfolgen einen anderen Ansatz: Sie entwickeln eine „elektrokalorische Wärmepumpe“, die ohne Kompressor auskommt. In diesem Prozess wird eine elektrische Spannung an ein elektrokalorisches Material aus speziellen Keramiken oder Polymeren angelegt, wodurch es sich erwärmt. Sobald die Spannung entfernt wird, kühlt das Material wieder ab. Mit Hilfe der Leistungselektronik werden die elektrokalorischen Kondensatoren mehrmals pro Sekunde aufgeladen und entladen, wobei in jedem Zyklus Wärme gepumpt wird. Die Forscher haben eine hocheffiziente Schaltungstopologie für Spannungswandler auf Basis von GaN-Transistoren entwickelt und eine elektrische Effizienz von 99,74 Prozent im elektrischen Leistungsbereich erreicht.

„Um einen hohen Leistungskoeffizienten in elektrokalorischen Wärmepumpen zu erreichen, sind eine sehr hohe Effizienz bei Materialien, Elektronik und Wärmeübertragung erforderlich“, sagt Dr. Kilian Bartholomé, Projektleiter und Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM. „Wenn wir all das beherrschen, hat die Elektrokalorik ein enormes Potenzial.“

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Seit der Veröffentlichung des ersten Net-Zero-Fahrplans im Jahr 2021 gab es einige positive Entwicklungen: Der Ausbau der Solarkapazität erreichte ein Rekordwachstum, Elektrofahrzeuge gewinnen mehr Marktanteile, und die Industrie erweitert weiterhin die Produktionskapazität für diese Technologien. Innovationen in der sauberen Energie haben auch zu mehr Optionen und einer Reduzierung der Technologiekosten geführt. Im ursprünglichen Fahrplan der IEA aus dem Jahr 2021 entfielen fast die Hälfte der Emissionsreduktionen, die erforderlich sind, um bis 2050 Netto-Null-Emissionen zu erreichen, auf Technologien, die noch nicht auf dem Markt waren. In der aktualisierten Version ist dieser Anteil auf etwa 35 Prozent gesunken.

Dennoch sind bis 2030 erhebliche Maßnahmen erforderlich. Laut dem aktualisierten Fahrplan von 2023 wird die globale Kapazität erneuerbarer Energien bis 2030 voraussichtlich verdreifacht. Gleichzeitig wird sich die jährliche Verbesserung der Energieeffizienz verdoppeln, der Absatz von Elektrofahrzeugen und Wärmepumpen wird stark steigen, und die Methanemissionen des Energiesektors werden um 75 Prozent sinken. Diese Strategien, die sich auf bewährte und oft kostengünstige Technologien zur Emissionsreduzierung stützen, werden zusammen mehr als 80 Prozent der erforderlichen Reduktionen bis zum Ende des Jahrzehnts liefern.

„Um das Ziel, die globale Erwärmung auf 1,5 °C zu begrenzen, zu erreichen, muss die Welt schnell zusammenkommen“, betont der Exekutivdirektor der IEA, Fatih Birol. „Die gute Nachricht ist, dass wir wissen, was zu tun ist – und wie es zu tun ist.“

Der Net-Zero-Fahrplan der IEA im Detail

2021

• Keine neuen Kohlekraftwerke ohne Emissionsminderung werden zur Entwicklung genehmigt

• Keine neuen Öl- und Gasfelder werden zur Erschließung genehmigt; keine neuen Kohleminen oder Erweiterungen bestehender Minen

2025

• Keine neuen Verkäufe von Heizkesseln für fossile Brennstoffe

2030

• Universeller Zugang zu Energie

• Alle neuen Gebäude sind bereit für Netto-Null-Kohlenstoff

• 60 % der globalen Autoverkäufe sind elektrisch

• Die meisten neuen sauberen Technologien in der Schwerindustrie sind im Maßstab demonstriert

• 1.020 GW jährliche Zuwächse bei Solar- und Windenergie

• Ausstieg aus Kohlekraft ohne Emissionsminderung in fortgeschrittenen Volkswirtschaften

• Meilenstein: 150 Mio. Tonnen kohlenstoffarmer Wasserstoff, 850 GW Elektrolyseure

2035

• Die meisten verkauften Geräte und Kühlsysteme sind die Besten ihrer Klasse

• 50 % der Verkäufe schwerer Lkw sind elektrisch

• Keine neuen Verkäufe von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor

• Alle industriellen Elektromotorenverkäufe sind die Besten ihrer Klasse

• Netto-Null-Emissionen im Strombereich in fortgeschrittenen Volkswirtschaften

• Meilenstein: 4 Gigatonnen CO₂ abgeschieden

2040

• 50 % der bestehenden Gebäude auf Netto-Null-Kohlenstoff-Niveau nachgerüstet

• 50 % der im Flugverkehr verwendeten Kraftstoffe sind emissionsarm

• Rund 90 % der bestehenden Kapazität in der Schwerindustrie erreicht das Ende des Investitionszyklus

• Netto-Null-Emissionen im globalen Strombereich

• Ausstieg aus allen Kohle- und Ölkraftwerken ohne Emissionsminderung

2045

• 50 % des Heizbedarfs werden durch Wärmepumpen gedeckt

• Meilenstein: 435 Mio. Tonnen kohlenstoffarmer Wasserstoff, 3.000 GW Elektrolyseure

2050

• Mehr als 85 % der Gebäude sind bereit für Netto-Null-Kohlenstoff

• Mehr als 90 % der Schwerindustrieproduktion ist emissionsarm

• Fast 70 % der globalen Stromerzeugung aus Solar- und Windenergie

• Meilenstein: 7,6 Gigatonnen CO₂ abgeschieden

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Laut dem World Energy Transitions Outlook der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) werden erneuerbare Energien bis 2050 drei Viertel des globalen Energiemixes ausmachen. Elektrizität wird zum wichtigsten Energieträger und wird bis 2050 mehr als 50 Prozent des Verbrauchs abdecken. Dieses auf erneuerbaren Energien basierende System wird durch einen hohen Grad an Elektrifizierung und Effizienz gekennzeichnet sein und durch grünen Wasserstoff und nachhaltige Biomasse ergänzt werden.

Tiefgreifende Auswirkungen

Diese Veränderungen in der Energielandschaft werden auch zu erheblichen geopolitischen Verschiebungen führen. Ein Bericht der „Global Commission on the Geopolitics of Energy Transformation“ hebt hervor, dass die geopolitischen und sozioökonomischen Auswirkungen des neuen Energiezeitalters ebenso tiefgreifend sind wie der Übergang von Biomasse zu fossilen Brennstoffen vor zwei Jahrhunderten.

Größere Unabhängigkeit

Im Gegensatz zu fossilen Brennstoffen sind erneuerbare Energiequellen in irgendeiner Form in den meisten Ländern und Regionen der Welt verfügbar. Dies erhöht die Energiesicherheit und macht die meisten Staaten weniger abhängig von Energieimporten. Konflikte um Öl und Gas werden abnehmen, und die strategische Bedeutung maritimer „Nadelöhre“ wie des Suezkanals wird abnehmen. Die neue Energiewelt könnte auch soziale, wirtschaftliche und ökologische Probleme lindern, die oft Hauptursachen für geopolitische Instabilität und Konflikte sind. Dennoch werden neue Abhängigkeiten und Handelsmuster entstehen, etwa durch neue erneuerbare Energiequellen oder die engere Integration von Stromnetzen über Landesgrenzen hinweg.

Neue führende Mächte

Der Übergang zur Energiewende wird auch neue Führungskräfte im Energiesektor hervorbringen – Länder, die stark in erneuerbare Energietechnologien investieren, werden an internationalem Einfluss gewinnen. So hat China seine geopolitische Position gestärkt, indem es das Rennen um saubere Energie anführt und zum weltweit größten Hersteller, Exporteur und Installateur von Solarpanels, Windkraftanlagen, Batterien und Elektrofahrzeugen geworden ist. Andererseits werden die heutigen Exporteure fossiler Brennstoffe ihren globalen Einfluss verlieren, wenn sie ihre Wirtschaft nicht an das neue Energiezeitalter anpassen.

„Die Revolution der erneuerbaren Energien stärkt die globale Führungsrolle Chinas, verringert den Einfluss der Exporteure fossiler Brennstoffe und bringt Energieunabhängigkeit für Länder auf der ganzen Welt.“
Olafur Grimsson, Vorsitzender der Global Commission on the Geopolitics of Energy Transformation

Zugang zu Energie für mehr Menschen

Länder, die derzeit stark von fossilen Brennstoffimporten abhängig sind, werden in Zukunft ihre Handelsbilanz erheblich verbessern können, indem sie einen größeren Teil ihrer Energie im Inland erzeugen. Dies wird auch die Risiken im Zusammenhang mit verwundbaren Energieversorgungslinien und volatilen Brennstoffpreisen verringern. Erneuerbare Energien werden dazu beitragen, mehr Menschen Zugang zu Energie zu verschaffen, Arbeitsplätze zu schaffen und nachhaltiges Wirtschaftswachstum zu fördern.

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Energieeinsparungen lohnen sich, denn die kostengünstigste und klimafreundlichste Kilowattstunde ist die, die gar nicht erst verbraucht wird. Eine hohe Energieeffizienz zu erreichen, ist entscheidend, um unnötige Energieverluste zu vermeiden. Energieeffizienz bezieht sich auf das Verhältnis von Energieeinsatz zu nutzbarem Output. In den vergangenen Jahren und Jahrzehnten wurden viele Anstrengungen unternommen, um weniger Energie zu verschwenden, etwa durch effizientere LED-Beleuchtung, verbesserte Fahrzeugkraftstoffeffizienz und Fortschritte bei industriellen Prozessen. Der Zwischenstaatliche Ausschuss für Klimaänderungen (IPCC) schätzt, dass die Umsetzung aller Optionen zur Steigerung der Energieeffizienz bis 2030 mehr als fünf Gigatonnen CO₂-Äquivalente einsparen könnte.

„Energieeffizienz hat viele zusätzliche Vorteile. Sie verbessert die Luftqualität, hilft Unternehmen, Energie zu sparen, damit sie die Einsparungen in andere produktive Bereiche reinvestieren können, und fördert effizientere industrielle Prozesse“, sagt die EU-Kommissarin Kadri Simson.

Globale Energieeffizienz steigt

Seit 2020 sind die globalen Investitionen in Energieeffizienz laut der IEA um 45 Prozent gestiegen. Beispielsweise haben fast alle Länder inzwischen Effizienzstandards für Klimaanlagen, und die Anzahl der Länder mit Standards für effizientere Industriemotoren hat sich in den letzten zehn Jahren verdreifacht. Allerdings hat sich die globale Verbesserung der Energieintensität – die Energiemenge, die zur Erzeugung einer Einheit des Bruttoinlandsprodukts (BIP) erforderlich ist – verlangsamt. Im Jahr 2023 verbesserte sie sich nur um 1,3 Prozent, weit unter der Rate, die erforderlich ist, um die Klimaziele zu erreichen.

„Die Klimaziele der Welt hängen davon ab, ob es uns gelingt, das globale Energiesystem viel effizienter zu gestalten. Wenn Regierungen das 1,5-°C-Ziel erreichen und gleichzeitig die Energiesicherheit unterstützen wollen, ist eine Verdoppelung des Fortschritts bei der Energieeffizienz in diesem Jahrzehnt entscheidend“, sagte der IEA-Exekutivdirektor Fatih Birol.

Nationale Beispiele zeigen, dass es auch anders geht. So verbesserte die Europäische Union ihre Energieintensität 2022 um acht Prozent und 2023 um fünf Prozent. Die USA erreichten 2023 eine Verbesserung von vier Prozent.

Reduzierung von Umwandlungsverlusten

In der All Electric Society konzentrieren sich die Bemühungen hauptsächlich auf die effizientere Nutzung von Elektrizität. Ein entscheidender Hebel in dieser Hinsicht ist die Reduzierung von Verlusten bei der Umwandlung elektrischer Energie. Wenn Strom in Bezug auf Spannungsform (Gleich- oder Wechselstrom), Spannungsniveau, Stromstärke und Frequenz umgewandelt wird, entstehen unvermeidlich Verluste. Statische und dynamische Leitungsverluste in den Halbleitermaterialien der Leistungselektronik erhöhen die Schaltverluste bei der Bereitstellung, Verteilung und Nutzung elektrischer Energie und steigern so den Verbrauch wertvoller Primärenergie. Allein in Europa werden jährlich schätzungsweise drei Terawattstunden elektrische Energie durch Umwandlungsverluste verschwendet – und diese Zahl steigt. Um erhebliche Energieeinsparungen zu erzielen, müssen die Verbesserungen bei den Halbleitermaterialien selbst beginnen.

Steigerung der Effizienz mit SiC und GaN

Die derzeit in der Leistungselektronik etablierten Siliziumkomponenten werden durch leistungsfähigere Halbleiter mit breiten Bandlücken (WBG) ersetzt, die überlegene physikalische und elektrische Eigenschaften aufweisen. Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) bieten höhere Schaltgeschwindigkeiten und bessere thermische Eigenschaften. SiC wird insbesondere für Hochleistungsanwendungen wie Elektrofahrzeuge und Industriemotoren nachgefragt, während GaN bei Niederspannungsanwendungen wie Schnellladegeräten für Verbraucherprodukte glänzt. Insgesamt ermöglichen beide Halbleitermaterialien deutlich höhere Effizienzen bei der Leistungsumwandlung: In typischen Anwendungen wie Stromversorgungsmodulen oder Wechselrichtern können Effizienzsteigerungen von drei bis fünf Prozent erzielt werden.

Zukunft mit Ultra-Wide-Bandgap (UWBG) Halbleitern

Es ist bereits absehbar, dass in Zukunft selbst WBG-Komponenten von Halbleitern mit ultraweiten Bandlücken (UWBG) übertroffen werden. Ein vielversprechender UWBG-Halbleiter ist Aluminiumnitrid (AlN). Im Vergleich zu etablierten Siliziumkomponenten weisen AlN/GaN-Transistoren, die bereits erfolgreich auf AlN-Wafern in Forschungsprojekten hergestellt wurden, bis zu dreitausendmal geringere Leitungsverluste auf und sind etwa zehnmal leistungsfähiger als SiC-Komponenten.

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Bis 2050 wird die weltweite Nachfrage nach Kobalt und Lithium für Elektrofahrzeugbatterien voraussichtlich um das Zwanzigfache steigen. Der Übergang zu einer energieversorgung ohne fossile Brennstoffe wird erhebliche Mengen an Kupfer, Aluminium und Eisen erfordern, wobei die Nachfrage wahrscheinlich doppelt so hoch sein wird. Seltene Erden, die für Technologien wie Windkraftanlagen unverzichtbar sind, werden ebenfalls in viel größeren Mengen benötigt.

„Auch wenn die Weltwirtschaft insgesamt ressourcenschonender wird, da sie sich von Kohle, Öl und Gas abwendet“, sagt Felix Creutzig, Leiter der Arbeitsgruppe Landnutzung, Infrastruktur und Verkehr am Mercator Research Institute on Global Commons and Climate Change (MCC) in Berlin, „gehen die zusätzlichen Materialbedarfe durch den Klimawandel, den damit verbundenen Ressourcenabbau und die entstehenden Abfallströme mit erheblichen ökologischen und sozialen Risiken auf regionaler und lokaler Ebene einher.“

Creutzig ist Hauptautor einer Studie, die die erwarteten Materialverbrauchssteigerungen durch den Klimawandel untersucht und Möglichkeiten zu deren Minderung aufzeigt. Die Studie hebt die Bedeutung klimafreundlicher Lösungen auf der Nachfrageseite hervor, etwa durch Veränderungen in Mobilität, Wohnen und Ernährung, sowie die Erweiterung des Materialrecyclings in der Wirtschaft.

EU strebt Sicherung der Rohstoffversorgung an

Selbst bei Anstrengungen zur Nachfragereduzierung wird die Verwirklichung einer All Electric Society ohne eine gesicherte Versorgung mit kritischen Rohstoffen nicht möglich sein. Die Europäische Union hat dazu das Critical Raw Materials Act eingeführt, eine Verordnung, die eine diversifizierte, sichere und nachhaltige Versorgung mit kritischen Rohstoffen für die europäische Industrie sicherstellen soll. Die Verordnung trat im Mai 2024 in Kraft und zielt darauf ab, die Versorgung innerhalb der EU zu stärken und die Abhängigkeit von einzelnen Lieferanten zu verringern. Dies ist wichtig, da der Markt für kritische Rohstoffe oft von wenigen Lieferländern dominiert wird, die nicht immer zuverlässig sind. So entfällt beispielsweise fast ein Viertel der weltweiten Bauxitproduktion (ein Vorprodukt von Aluminium) auf Guinea, während die Hälfte der weltweiten Kobaltreserven im konfliktbelasteten Kongo liegt. Zudem werden 90 Prozent der Halbleiter-Wafer für Solarzellen in China produziert.

Von der Förderung bis zum Recycling

Das Critical Raw Materials Act setzt Benchmarks für den Ausbau der Kapazitäten in den Bereichen Bergbau, Verarbeitung und Recycling innerhalb der EU. Dazu gehören vereinfachte Genehmigungsverfahren und ein erleichterter Zugang zu finanziellen Mitteln. Ein wichtiger Aspekt, den die neue EU-Verordnung verbessern soll, ist das Recycling von kritischen Rohstoffen. Ausgediente Produkte aus der Automobilindustrie, Elektrofahrzeugen, Elektroschrott und dekarbonisierten Energietechnologien entwickeln sich schnell zu sekundären Quellen wertvoller kritischer Materialien. Marktanalysten von IDTechEx prognostizieren, dass bis 2045 jährlich kritische Materialien im Wert von 110 Milliarden US-Dollar aus Sekundärquellen zurückgewonnen werden, mit einem Gesamtgewicht von über 3,3 Millionen Tonnen. Das Critical Raw Materials Act legt Recyclingziele für verschiedene Materialien fest.

Forderung nach mehr Flexibilität

Starre, statische Zielvorgaben, wie sie derzeit im Critical Raw Materials Act festgelegt sind, wurden jedoch von Experten kritisiert. Rohstoffmärkte und Versorgungssysteme sind von Natur aus sehr dynamisch – feste Ziele könnten daher nicht effektiv sein. Neue Technologien können die Nachfrage nach bestimmten Rohstoffen schnell erhöhen, während Substitutionseffekte die Nachfrage nach anderen, bislang als knapp und kritisch eingestuften Rohstoffen rasch verringern können. Ein Beispiel hierfür ist Kobalt: Starke Substitutionseffekte in Batterien zeichnen sich bereits ab. Wird Kobalt angesichts des technologischen Fortschritts auch 2030 noch als wichtiges Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien benötigt?

Professor Simon Glöser-Chahoud, Wirtschaftsprofessor von der TU Bergakademie Freiberg, erklärt: „Für eine erfolgreiche Regulierung der Rohstoffversorgung müssen sowohl die festgelegten Quoten als auch die Liste der strategischen Rohstoffe regelmäßig überprüft und angepasst werden.“

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Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) hat sich die Anzahl der Cyberangriffe auf Energieversorger weltweit zwischen 2020 und 2022 mehr als verdoppelt. Zu den jüngsten Vorfällen zählen die Deaktivierung der Fernüberwachung von Windparks, Ausfälle von Stromzählern aufgrund nicht verfügbarer IT-Systeme und das Hacken von Daten wie Kundenname, Adresse, Bankdaten und Telefonnummern. Weltweit erreichten die durchschnittlichen Kosten eines Datenlecks im Energiesektor im Jahr 2022 einen neuen Höchststand von 4,72 Millionen US-Dollar.

Sicherheit von Anfang an

„Die Notwendigkeit von Cybersicherheit betrifft das gesamte Stromnetz, einschließlich Verteilnetze, Übertragungsnetze und die angeschlossenen erneuerbaren Energiequellen“, erklärt Frances Cleveland, Leiterin der Cybersicherheit im technischen Komitee IEC/TC 57 der International Electrotechnical Commission (IEC). Das Komitee veröffentlicht grundlegende Standards für das Smart Grid, wie die IEC 62351-Reihe. Neben den Anforderungen an die Cybersicherheit enthält es auch Richtlinien zur Berücksichtigung von Sicherheitsanforderungen in Systemen und Betriebsabläufen bereits in der Entwicklungsphase, sodass Sicherheitsmaßnahmen nicht erst implementiert werden, wenn die Systeme bereits in Betrieb sind.

„Ziel ist es, sicherzustellen, dass Akteure im Bereich der verteilten Energieressourcen (DER) diese DER-Systeme so herstellen und anschließen, dass Cybersicherheitsmaßnahmen und -technologien von Anfang an integriert werden und die DER-Systeme ‚secure by design‘ sind. Wird die Cybersicherheit erst berücksichtigt, wenn das System bereits auf dem Markt ist, ist das, als würde man ein Pflaster auf eine lebensbedrohliche Wunde kleben“, erläutert Cleveland weiter.

Der Cyber Resilience Act kommt

Hier setzt der Cyber Resilience Act (CRA) an, der im Frühjahr 2024 vom Europäischen Parlament verabschiedet wurde: Die Verordnung gilt für alle Produkte, die direkt oder indirekt mit einem anderen Gerät oder Netzwerk verbunden sind. Dazu gehören vernetzte Sicherheitskameras, Energiemanagementsysteme und Steuerungen für Windkraftanlagen. Der CRA verlangt von den Herstellern die Einhaltung grundlegender Cybersicherheitsanforderungen, wie die Gewährleistung der Vertraulichkeit und Integrität von Daten. Außerdem wird gefordert, dass die Hersteller die IT-Sicherheit ihrer Produkte über deren gesamten Lebenszyklus aufrechterhalten. Sie müssen nachweisen, wie sie Schwachstellen in ihren Produkten beheben. Nur mit dem Nachweis der Einhaltung des CRA können Produkte künftig mit einer CE-Kennzeichnung auf den europäischen Markt gebracht werden.

Risikodifferenzierung

Wichtige und kritische Produkte werden basierend auf ihrer Kritikalität und dem Grad des von ihnen ausgehenden Cybersicherheitsrisikos in verschiedene Listen eingeteilt. Diese Listen werden von der Europäischen Kommission vorgeschlagen und aktualisiert. Produkte, die als höheres Cybersicherheitsrisiko eingestuft werden, unterliegen einer strengeren Prüfung durch eine benannte Stelle, während andere einem einfacheren Konformitätsbewertungsverfahren folgen können, das oft intern von den Herstellern verwaltet wird.

Nach der Einführung des CRA – voraussichtlich Ende 2024 – haben Hersteller 36 Monate Zeit, um sich auf die neuen Vorschriften vorzubereiten. Diese werden für Produkte gelten, die ab 2027 auf den Markt kommen sollen.

Der führende Europaabgeordnete Nicola Danti (Renew, IT) erklärte: „Der Cyber Resilience Act wird die Cybersicherheit vernetzter Produkte stärken, indem er Schwachstellen sowohl in der Hardware als auch in der Software bekämpft und die EU zu einem sichereren und widerstandsfähigeren Kontinent macht.“

Pflichten der Hersteller nach dem Cyber Resilience Act

• Cybersicherheit wird in den Planungs-, Entwurfs-, Entwicklungs-, Produktions-, Liefer- und Wartungsphasen berücksichtigt
• Alle Cybersicherheitsrisiken werden dokumentiert
• Hersteller müssen aktiv ausgenutzte Schwachstellen und Vorfälle melden
• Nach dem Verkauf müssen Hersteller sicherstellen, dass Schwachstellen während der Support-Phase effektiv behoben werden
• Klare und verständliche Anweisungen für die Verwendung von Produkten mit digitalen Elementen
• Sicherheitsupdates müssen den Nutzern für die erwartete Lebensdauer des Produkts zur Verfügung gestellt werden.

Quelle: Europäische Union

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