Gaia-X für die Energiewirtschaft

Derzeit sind europäische Unternehmen aus Mangel an Alternativen gezwungen, ihre Daten bei den großen, überwiegend amerikanischen Cloud-Anbietern aufzubewahren. Doch nicht nur die Abhängigkeit von Drittstaaten, sondern auch das Geschäft mit den Daten spielt eine entscheidende Rolle.

Datengetriebene Anwendungen und Geschäftsmodelle sind in den vergangenen Jahren zunehmend zu einem Kernfaktor für die europäische Wirtschaft geworden. Mit Gaia-X soll die nächste Generation eines Dateninfrastruktur-Ökosystems in die Wege geleitet werden: Ein offenes, föderiertes (dezentrales), transparentes und sicheres digitales Ökosystem, in dem Daten und Dienste in einer vertrauensvollen Umgebung geteilt und gemeinsam genutzt werden können.

Es generiert neue Anwendungsfälle – und damit Produkte und Dienstleistungen – für die europäischen Bürgerinnen und Bürger sowie Unternehmen und wird die Energiewende durch das Erschließen und souveräne Bereitstellen von Daten erheblich unterstützen.

Die Architektur von Gaia-X basiert auf dem Prinzip der Dezentralisierung. Gaia-X gibt den einzelnen Dateneigentümern, Datennutzern und Technologieakteuren einen gemeinsamen Rahmen mit überprüfbaren Vertrauensniveau und Kontrollmechanismen vor. Auch wenn von einem europäischen Ökosystem die Rede ist, ist damit nicht gemeint, dass es geografisch begrenzt ist, sondern vielmehr, dass es auf europäischen Werten basiert. Es soll Innovationen in Europa fördern und neue datengesteuerte Dienste und Anwendungen ermöglichen. Das Ergebnis ist keine neue physische Cloud-Infrastruktur, sondern ein Software-Föderationssystem, das mehrere Cloud-Service-Anbieter und Dateneigentümer miteinander verbinden kann, um den Datenaustausch in einer vertrauenswürdigen Umgebung zu gewährleisten und die Schaffung neuer gemeinsamer Datenräume zur Realisierung einer digitalen Wirtschaft zu fördern.

Zu diesem Zweck ermöglicht Gaia-X nicht nur Interoperabilität und Portabilität innerhalb der Infrastrukturen sowie von Daten und Diensten, sondern schafft auch ein hohes Maß an Vertrauen für Nutzer. Bestehende Schwierigkeiten wie unterschiedliche Cloud-Edge-Landschaften, Rechtsunsicherheiten oder technologische Integrationsprobleme behindern die Entstehung eines starken digitalen Binnenmarktes. Das Projekt steht in engem Zusammenhang mit der europäischen Datenstrategie [1], die einen echten Binnenmarkt für Daten anstrebt, sowie mit dem EU-Konjunkturprogramm „Industrial Cloud IPCEI“ [2]. Dementsprechend unterstützt Gaia-X innovative Datenanwendungen und branchenübergreifende Innovationen. Dies umfasst die Vermeidung von Anbieterbindung in Situationen, in denen ein freier Markt gefördert werden soll, sowie die grundlegenden Werte der Transparenz und Wahlfreiheit.

Die Entwicklung einer Infrastruktur, die digitale Souveränität ermöglicht, ist jedoch nur ein Teil von Gaia-X. Der andere Teil ist die Ermöglichung eines souveränen Datenaustauschs. Die Datensouveränität wird eine Schlüsselfähigkeit für die europäische und internationale Wirtschaft sein. Dateneigentümer müssen entscheiden, kontrollieren und überwachen können, was mit ihren Daten geschieht, wer sie erhält und wofür sie verwendet werden. Dazu bedarf es einerseits einheitlicher rechtlicher Verfahren und Standards, andererseits eines informationstechnischen Verfahrens, um Datenhoheit überhaupt erst zu ermöglichen und auszuüben.

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Im Energiebereich werden intelligente Lösungen entlang der gesamten Wertschöpfungskette – von der Stromerzeugung, Energiespeicherung, Stromübertragung und -verteilung hin zur Verbrauchsüberwachung – entwickelt. Dabei liegt der Schwerpunkt auf jenen Potenzialen, die durch eine vernetzte, offene Dateninfrastruktur realisiert werden können, um so den Übergang zu Dekarbonisierung und Kohlenstoffneutralität zu ermöglichen. Als weitere Ziele sind neben der Sektorenkopplung (z. B. grüne Energieträger, Integration von Mobilitäts-, Gebäude- sowie Heizungssystemen) und die Integration erneuerbarer Energiequellen in das europäische Stromsystem auch die Steigerung von Energieeffizienz und die Nutzbarmachung von Flexibilitäten zu nennen. All dies soll insbesondere durch eine europäische Dateninteroperabilität gewährleistet werden. Hierdurch wird nicht nur der Weg für den Aufbau, die Zusammenstellung und die Nutzung von vertrauenswürdigen und wertschöpfenden Cloud-Diensten geebnet, sondern es werden auch neue Produkte, Dienstleistungen sowie Geschäftsmodelle und damit wertvolle Anwendungsfälle entwickelt. Das Spektrum der Anwendungsfälle ist vielfältig und umfasst unter anderem die folgenden:

• Infrastrukturdaten für neue Geschäftsmodelle: Nutzung von Daten aus kritischen Infrastrukturen z. B. durch digitale Datenzwillinge. Gaia-X ermöglicht den vertrauenswürdigen Austausch von sensiblen Daten, schafft Transparenz und Nachvollziehbarkeit über die Verwendung der Daten und gewährleistet damit die erforderliche Datensouveränität [4].
• Aggregator Services für Energy Communities: Intelligente Energieaggregatoren für Quartiere, um Flexibilitäten zu identifizieren und zu nutzen. In einer Gaia-X-Infrastruktur könnten Anlagendaten und Messwerte aus Erzeugungsanlagen übertragen werden, in der Daten in der Form verarbeitet werden, dass zusammen mit Prognosen des zukünftigen Verbrauchs und Erzeugung Fahrpläne für die Anlagen generiert werden [6].
• Redispatch 3.0: Durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) können insbesondere Netzengpässe vermieden und u.a. der Schritt von Redispatch 2.0 hin zu Redispatch 3.0 geebnet werden, bei dem dann auch private Kleinstanlagen in den Netzbetrieb und Netzoptimierungsprozesse integriert werden. Dazu bedarf es allerdings einer größeren und besser integrierten Datenbasis. Außerdem muss für eine direkte Kommunikation mit dezentralen Erzeugungs- und Verbrauchseinheiten mit weniger als 100 kW Nennleistung neben klassischen Netzleitsystemen auch eine Cloud-basierte IoT-Alternative aufgebaut werden. Denn aktuell sind Kleinstanlagen in den meisten Fällen kommunikationstechnisch nicht zugänglich und werden es erst mit dem anlaufenden Smart-Meter-Rollout über die CLS-Schnittstelle der intelligenten Messsysteme (iMsys) sein. Eine Gaia-X-basierte Dateninfrastruktur schafft die Grundlage für eine breitere Nutzung von KI für die Erstellung von Prognosen und damit die Ermittlung von Redispatch-Potenzialen und der Umsetzung der Redispatch-Eingriffe in steuerbare Ressourcen [7].
• Betrieb und Vermarktung dezentraler erneuerbarer Energien: Auf der Grundlage einer Vielzahl operativer Daten sollen Dienstleistungen und Vermarktungsprozesse von dezentralen erneuerbaren Energieerzeugern stetig optimiert werden. Gaia-X verschafft Anlagenbetreibern die Möglichkeit, alle betriebs- und unternehmensrelevanten Daten über eine Schnittstelle dezentral bereitzustellen, und das mit Gewährleistung der Datenhoheit sowie der Einhaltung rechtlicher Vorschriften [8].
• Green Energy Certification: Auf Basis von Gaia-X und mittels der dezentralen Distributed-Ledger-Technologie (DLT, „Blockchain“) kann ein System zur automatisierten Zertifizierung von erneuerbarer Energie und Verwaltung von Zertifikaten aufgebaut werden. Denn die aktuelle Ausgangslage gestaltet sich als ein uneinheitliches System zum Nachweis der Energieherkunft mit unterschiedlichen, individuellen Einzellösungen (wie z. B. Guarantee of Origin (GO), Herkunftsnachweisregister (HKN) oder Ökostromlabel), die alle einen anderen Fokus in Bezug auf Nachhaltigkeitskriterien aufweisen und auf unterschiedlichen Standards basieren und daher auch nicht kombinierbar sind. Daher genügen sie auch nicht dem zukünftigen Anspruch eines ganzheitlichen Ende-zu-Ende-Energiesystems [9].
• Kommunales Open Data für Geschäftsmodelle der Energiewirtschaft: Vor allem in datenintensiven Prozessen, wie sie in der Energiewirtschaft (z. B. im spartenübergreifenden Netzanschlussprozess) vorkommen, sind Open Data der Schlüsselfaktor für die Entwicklung von innovativen Geschäftsmodellen. Durch Gaia-X kann eine dezentrale Datenbereitstellung ohne Medienbruch – von öffentlichen Einrichtungen hin zu den Netzbetreibern – bei gleichzeitiger Qualitätssicherung sichergestellt werden [10].

Um diese Anwendungsfälle auf nationaler und grenzüberschreitender Ebene zu ermöglichen, ist auf europäischer Ebene eine breite Umsetzung von Gaia-X erforderlich, um eine gemeinsame Wissensrepräsentation, semantische Datenmodelle, Dateninteroperabilität und Datenfunktionen sicherzustellen. Die Governance innerhalb des Ökosystems muss dabei eindeutig sein. Durch die Festlegung gemeinsamer Policy-Regeln werden dabei der Schutz von Daten, Wissensrepräsentationen und Diensten sowie die Interoperabilität und Portabilität gewährleistet. Ein umfassendes Angebot kann nur bereitgestellt werden, indem auf zahlreiche Daten in vertrauenswürdigen und kollaborativen Cloud-Infrastrukturen zugegriffen werden kann [11].

Durch Gaia-X wird die Grundlage zur Zusammenführung von großen Mengen heterogener Daten geschaffen, um wertvolle Anwendungsfälle umzusetzen. Dabei ist es jedoch wichtig, dass sich insbesondere die Akteure der Energiewirtschaft entlang der gesamten Wertschöpfungskette mit den folgenden Daten beteiligen:

• Energieversorger: Daten im Rahmen der Erzeugung und Speicherung von Energie für die verschiedenen Arten von dekarbonisierten Energien, Energieeffizienz und neue Dienstleistungen
• Auftragnehmer, Partner und Ingenieurdienstleister: alle Unternehmen und Partner zur Verbesserung der Energieerzeugung und -technik
• Gas-, Strom- und Wärmenetzbetreiber (Netzbetreiber und Stadtwerke): mit Energietransport- und Verteilungsdaten
• Aggregatoren: Aufbereitung, Sammlung und Bündelung von Daten, um sie den Verbrauchern zur Verfügung zu stellen
• Energieverbraucher (wie z.B. Haushalte, lokale Kollektive, Industrieunternehmen): Energiedaten aus intelligenten Messsystemen (iMsys)
• EV-Stationsmanager: mit Fahrzeug- und Ladestationsdaten
• Sicherheits- und Zertifizierungsstellen: mit Sicherheits- und Zertifizierungsdaten
• Offene Dienste: mit öffentlichen Karten, meteorologischen, städtischen oder Verkehrsdaten.

Cybersecurity für die Kommunikationsprotokolle in der Energieversorgung

Ein Blackout führt bereits nach kurzer Zeit zu Panik in der Bevölkerung, denn ohne Elektrizität ist unser alltägliches Leben nicht mehr möglich. Den Grund für einen Blackout sehen Fachleute aber weniger in der Bereitstellung von Energie als vielmehr durch Angriffe auf Energieversorger durch Hacker.

Cybersecurity spielt bei Kommunikationsprotokollen somit eine zentrale Rolle. Auf internationaler Ebene erarbeiten Fachleute deshalb spezifische Normen und Standards, die sich in der Arbeit von nationalen Gremien widerspiegelt.

Ziel ist es, einen Ansatz und zugehörige Dienste vorzuschlagen, die es ermöglichen, Abgleichsysteme zwischen verschiedenen Informationsmodellen bereitzustellen. Zu diesem Zweck werden im Rahmen der internationalen Standardisierung bei IEC bestehende Modelle sektorübergreifend abgeglichen und transversale Vektoren eines gemeinsamen Informationsmodells (z. B. das Common Information Model, CIM) in Kombination mit der Verwendung von Ontologie-Aufbauansätzen gefunden. Die Berücksichtigung der anderen Gaia-X-Kontrolleinheiten und die Konzentration auf die Umsetzung dieser für den Sektor der erneuerbaren Energien in einer Common Taxonomy Definition (CTD) würde es ermöglichen, die Standards rund um die Beschreibung von Anwendungsfällen, Rollenmodellen, kanonischen Datenmodellen oder sogar Architekturen für die Energiewertschöpfungskette wie das Smart Grid Architecture Model (SGAM) zu verknüpfen und zu validieren.

In der Energiewertschöpfungskette, die eine Vielzahl von Akteuren und Prozessen umfasst und daher sehr komplex ist, gibt es bereits Referenz- und Standardisierungsrahmen. Sie schlagen insbesondere gemeinsame Darstellungen vor, um das Verständnis, den Austausch und den Betrieb der damit verbundenen Systeme und Teilsysteme zu erleichtern. Das Matrixmodell, das die wichtigsten vertikalen Energiebereiche (Erzeugung, Übertragung, Verteilung, DER, Kunde) und Sektoren (Prozess, Feld, Station, Betrieb, Unternehmen, Markt) miteinander verbindet, verfügt über ein IEC-Kernmodell für den Energie- und Elektrizitätsbereich, das die Verwaltung der damit verbundenen Informationsmodelle ermöglicht. Dazu zählen z.B. das CIM-Datenmodell, Companion Specification for Energy Metering (COSEM)-Datenmodell [12], IEC 61850-Datenmodell [13], Common Grid Model Exchange Standard (CGMES) [14] oder auch sektorübergreifende Modelle wie die Smart Appliances REFerence (SAREF) [15], die Next Generation Service Interfaces (NGSI-LD) [16] und FIWARE [17].

Obgleich sie auf Modellierungsstandards wie UML basieren, sind die semantischen Verbindungen zwischen den verschiedenen Verwendungen dieser unterschiedlichen Standards, Informationsmodelle und Ontologien keine Realität. Dadurch wird ein höheres Maß an transversaler Interoperabilität stark eingeschränkt. Auch wenn die Aufgabe äußerst ehrgeizig erscheint, nämlich bewährte IEC-Standards und kanonische Datenmodelle (wie z. B. CIM) mit Ontologien (wie z. B. SAREF, OneM2M) oder Linked-Data-Formaten abzugleichen und sie z. B. mit NGSI-LD zu verbinden, eröffnet die durch Gaia-X gebotene Möglichkeit, Akteure, Kontrolleinheiten und Datensätze aufeinander abzustimmen, um fortgeschrittene Interoperabilitätsmodelle zu definieren, vielversprechende Perspektiven.

Das Hauptziel dieses Anwendungsfalls ist die Effizienzsteigerung bei der Einrichtung von Ladestationen in Europa durch Datenkonvergenz zwischen den verschiedenen Betreibern. Um hierbei den besten Platz für eine Ladestation zu finden, ist es notwendig, den folgenden Überblick zu haben:

• Elektroplan der Stadt, um herauszufinden, ob ein Gebiet problemlos eine Schnellladestation aufnehmen kann, ohne dass lange und kostenintensive Netzarbeiten von Verteilnetzbetreibern (VNB) erforderlich sind;
• Stadtentwicklungsplan, um herauszufinden, wie sich die Stadt zukünftig entwickeln wird (von den lokalen Kommunen);
• Fahrzeugströme in der Stadt, um herauszufinden, wo insbesondere ein starkes Verkehrsaufkommen zu erwarten ist. Hierbei spielen insbesondere Daten von lokalen Kommunen, Parkplatzbetreibern und Autobahngesellschaften eine Rolle. Von besonderem Interesse könnten z.B. auch Daten darüber sein, wo Fahrzeuge vermehrt halten und wo Berufskraftfahrer parken. Fahrzeugströme könnten auch über Telefonanbieter, Automobilhersteller oder reine Akteure wie z. B. über GPS-gestützte Navigationssysteme für Smartphones erfasst werden.

Mit diesen Daten könnte ein konsolidiertes Wissen aufgebaut werden. Dadurch können Charge Point Operator (CPO), die für die Installation, den Service und die Wartung von Ladestationen verantwortlich sind, rentable Ladestationen installieren, lokale Behörden können sie dort aufstellen, wo sie tatsächlich benötigt werden – und auch zu einem effizienten Preis – und VNB können ihr Netz mittel- und langfristig besser planen.

Noch ist das Projekt Gaia-X in einer frühen Phase. Es muss sich weiterhin zahlreichen Herausforderungen stellen und birgt zugleich hohe Entwicklungsrisiken, die jedoch auch mit erheblichen Chancen verbunden sind. Eine erfolgreiche Umsetzung des Projekts, insbesondere im Energiebereich, kann einen erheblichen Beitrag zur Sicherstellung der Energiewende sowie zur kohlenstoffneutralen Wirtschaft durch neue Dienstleistungen und Digitalisierung leisten.

Eine Kohärenz zwischen dem Energiedatenraum, dem Green-Deal-Datenraum und anderen Bereichen (z.B. der Mobilität) kann sichergestellt werden. Zudem kann es zur Entwicklung europäischer und großer, grenzüberschreitender Infrastrukturen und Datenschutzdienste beitragen und die Entwicklung grenzüberschreitender Energiedienstleistungen und -akteure in Europa voranbringen. Dies hätte vor allem durch die Bereitstellung besserer Dienstleistungen, den höheren Schutz personenbezogener Daten und die Schaffung von Arbeitsplätzen in Europa enorme Vorteile für die europäischen Bürgerinnen und Bürger. Diese Vorteile sind allerdings auch mit erheblichen Investitionen in den kommenden Jahren verbunden.

Redaktioneller Hinweis:

Dieser Fachartikel erschien zuerst in den DIN-Mitteilungen (Ausgabe: Mai 2022)

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