Der Cyber-Security-Thriller, der nie geschrieben wurde

Das Elkement ist ein Science-Fiction-Fan. Insbesondere, wenn es um Hacker geht, die von ihrer Programmierhöhle aus die essenzielle Infrastruktur dieses Planeten lahmlegen:

Ist Science Fiction der richtige Begriff? Im gleichen Jahr, als Stirb Langsam 4.0 die Kinos kam, entstand in den USA auch dieses Video.  Ein elektrischer Generator in einem Test-Kraftwerk haucht nach einer Cyber-Attacke sein Leben aus:

Als subversiver Möchtegern-Schriftsteller fasste das Elkement natürlich sofort den Entschluss, auf den rollenden Zug des Cyber-Paranoia-Genres aufzuspringen und die von CNN dokumentierten Folgen des Cyberangriffs literarisch auszuschlachten: Blackout – eine Katastrophe schlimmer als die Wirtschaftskrise der 1930er Jahre und 50 Hurricanes.

Unter dem Deckmantel so genannter wissenschaftlicher Recherchen machte sich das Elkement auf, die Geheimnisse des Smart Grid zu erkunden (Das ist Englisch und bedeutet: „Schlaues Gitter“. Das Elkement folgt mit dieser treffenden Übersetzung dem Stil der täglich in der Siedlerhütte eingeworfenen Postillen, in denen auch Smart Home übersetzt werden muss mit „Schlaues Haus“).

Doch das Elkement war zu spät dran – den Edutainment-Thriller Blackout gibt es schon: Gehackte Smart Meter führen zu einer europaweiten, episch beschriebenen apokalyptischen Katastrophe.

Aber das hatte das Elkement einen zündenden Einfall: Wäre es nicht viel unterhaltsamer (und auch als Comedy verwertbar), wenn nicht finstere Gestalten die Stromversorgung lahmlegen würden, sondern [politisch korrekt] eine unglückliche Verkettung von Umständen und/oder menschliches Versagen [/korrekt]?

Man könnte sich ja durch folgende Anekdote inspirieren lassen: ein Programmierer und Geek testet das Versenden von Botschaften mit net send (Liebe Smartphone- und iPad-Generation: das ist wie Facebook-Nachrichten, nur ohne Bilder).

Jener Geek sendet nun eine sinnige Testbotschaft ähnlich „Hallo, Du Tölpel!“ … nicht an seinen Testcomputer sondern … an ganz „Europa“. Nicht an den Erdteil, sondern an die Europäischen Niederlassungen eines Cyber-Imperiums. Nur die Schaltknoten eines modernen IT-Netzwerks (auch „Switches“ genannt) lassen diese Cyberattacke an der Stadtgrenze versickern.

Wie würde man diese Anekdote „auf Stromnetz“ ändern und möglichst plump und unrealistisch überhöhen?

  1. Eine humanoide Lebensform in der Energiebranche schickt einen Testbefehl „an alle“  wie „Hallo, ihr schlauen Zähler dort draußen! Seid ihr alle da?“
  2. Der Befehl kommt nicht aus dem Stromnetz, sondern „von ganz woanders“ – nur ein Schriftsteller würde einen Zusammenhang krampfhaft herstellen wollen. Z.B. aus einem Youtube-Video. Oder aus dem Gasnetz.
  3. Der Befehl verbreitet sich pandemisch in ganz Europa.

Leider wurde die erste Euphorie des Elkementes von seinem Literaturagenten gleich wieder eingedämmt: „Zu realistisch, das gibt’s ja schon!“ (mutmaßlich, es gilt die Unschuldsvermutung etc.):

Blackout-Gefahr in Österreichs Stromnetzen:

Es handelte sich dabei um eine an sich triviale Abfrage der Zählerstände aller Komponenten eines regionalen Gasleitungsnetzes in Bayern. Diese Abfrage „an alle“ zum Test eines neuen Segments im süddeutschen Gasnetz war allerdings in die Steuerung des europäischen Stromnetzes gelangt und hatte sich dort multipliziert.

Die Zählerstandsabfrage an ein paar Dutzend Komponenten des Erdgasnetzes wurde vom Stromleitsystem in Folge als Steuerungsbefehl akzeptiert. Die Folge war eine Datenflut, die das europäische Steuerungssystem regional für Stunden lahmlegte.

Lasttrennschalter

Ein Bild dieser Art darf in keinem populärwissenschaftlichen Artikel über das Stromnetz fehlen (Lasttrennschalter, Wikimedia)

Wie kommt die Wärme so schnell ins Duschwasser?

Wie von Irgendwem experimentell belegt wurde, wird Warmwasser im Durchfluss in einem Hygienespeicher so rasch erwärmt, dass damit auch anspruchsvolle Warmduscher (Heißduscher) zufrieden gestellt werden können.

Worin besteht nun das Geheimnis dieser Wärmeübertragung?

Die durch einen Wärmetauscher (Neudeutsch und korrekt: Wärmeübertrager) übertragene Wärmeleistung entspricht dem Produkt folgender Faktoren:

  • Der Oberfläche des Wärmetauschers, d.h. der Außenfläche des Edelstahl-Wellrohres im Wärmetauscher des Hygienespeichers.
    Für den betrachteten Speicher sind das: 5,8 m2 (!), also keine geringe Fläche!
  • Der Wärmestrom pro Fläche ist nicht an jeder Stelle des Rohres gleich. Daher wird eine mittleren Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Wassers im Volumen des Speichers („Das Große“) und der des zu erwärmenden Wassers im Rohr berechnet:
    Aus dem Messergebnissen …
    – Temperatur des Speichers: 47°C
    – Temperatur Kaltwasser: 15,5°C
    – Temperatur Warmwasser: 41,5°C
    … ergibt sich folgende mittlere logarithmische Temperatur:
    [41,5 – 15,5]/ln[(47-15,5)/(47-41,5)] = 15 K
  • Des Wärmedurchgangskoffizienten (‚k-Wert‘) in Watt pro m2 und Kelvin. Dieser entspricht dem U-Wert in der Bauphysik und beschreibt zusammenfassend die Wärmeübertragung durch Konvektion im Rohr, Wärmeleitung durch die Rohrwand und Konvektion durch Dichteunterschiede im Speicher. Für eine Abschätzung wird hier ein typischer Richtwert von ca. 150 W/m2K angenommen.
    (Dies ist ein unteres Limit für einen Rohrbündelwärmetauscher)

Damit ergibt sich geschätzt eine Wärmetauscherleistung von ca. 13 kW
… was mit den gemessenen 12 kW gut übereinstimmt!

12 kW erscheint hoch – vergleichbar mit der maximalen Leistung einer Heizung eines Einfamilienhauses. Zu berücksichtigen ist aber, dass das Warmwasser im Wärmetauschrohr auch relativ lange unterwegs ist:

Das Volumen des Rohres im Speicher beträgt 48 Liter. Bei einem Volumenstrom von 6,25 Liter pro Minute ist  ein Wassertröpfchen daher fast 8 Minuten unterwegs – und hat daher ausreichend Zeit sich aufzuwärmen.

Heat Exchanger (Heat exc 1-1)

Wärmetauscher – schematisch. Warme und kalte Flüssigkeit sind durch eine Grenzfläche getrennt. Der Wärmedurchgangskoeffizient hängt u.a. von der Strömungsgeschwindigkeit der beiden Flüssigkeiten ab.

Nur umgekehrt?

In diversen Postwurfsendungen lesen die Siedler oft:

„Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt.“

Ist dieser Vergleich richtig oder hilfreich?

In einem Kühlschrank wird dem zu kühlenden Innenbereich Wärme entzogen und an den Raum abgegeben. Da Wärme nicht von selbst vom kälteren zum wärmeren Bereich fließen kann, ist dies ist nur möglich durch die Zufuhr elektrischer Energie.

Kühlschrank, schematisch. Bildquelle: punktwissen.

Eigentlich funktioniert eine Wärmepumpe genauso wie ein Kühlschrank: Wärme wird einer Quelle entzogen und an den zu heizenden Raum abgegeben – nur befindet sich die Quelle außerhalb des Hauses.

Wärmepumpe, schematisch. Bildquelle: punktwissen.

Man könnte also sagen:

„Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur muss die Wärmequelle draußen bleiben.“

Allerdings erklärt dieser Vergleich nicht, wie und warum die Wärmepumpe – oder der Kühlschrank – überhaupt Wärme pumpen kann.

Der Trick besteht darin, ein Kältemittel bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Druck zu verdampfen – hier wird Wärme aus der Quelle aufgenommen – und dann bei hohem Druck und hohen Temperaturen wieder zu verflüssigen. Hier wird Wärme abgegeben. Zum Betrieb des Kompressors, der den Druck erhöht, wird elektrische Energie benötigt.

D.h. das Kältemittel läuft in einem Kreislauf: Verdampfer –> Kompressor –> Verflüssiger. Dreht man nun diesen Kreislauf des Kältemittels um, dann kann elektrischer Strom erzeugt werden aus zugeführter Wärme (Verbrennung).

Dann – also: ‚umgekehrt‘ – wird aus der Wärmepumpe…

Wärmepumpe (IFA 2010 Internationale Funkausstellung Berlin 102)

… ein Kraftwerk:

Voitsberg Kraftwerk