Entwicklung einer spatial-temporalen Vulnerabilitätsanalyse für die initiale Krisenbewältigung von Stromausfällen

Wird durch einen Stromausfall der kontinuierliche Betrieb von so genannten Kritischen Infrastrukturen wie Krankenhäuser, Trinkwasserwerke oder Dialysekliniken gefährdet, drohen dramatische Konsequenzen für die Bevölkerung. Entsprechend bedarf es an einer effektiven Katastrophenvorsorge. In der vorliegenden Arbeit wird für diesen Zweck eine spatial-temporale Vulnerabilitätsanalyse entwickelt, mit der eine sachgerechte Beurteilung der Dringlichkeit und der Erheblichkeit von stromausfallbedingten Gefahren für einen beliebigen Landkreis oder eine beliebige kreisfreie Stadt samt einer Priorisierung der dort verorteten Kritischen Infrastrukturen bzw. ... mehrihrer Stadtteile oder Gemeinden für verschiedene Szenarios möglich wird.
Grundlage der Vulnerabilitätsanalyse ist ein indikatorenbasierter Ansatz mit modifizierten multiattributiven Analysen. Hierfür wurden Indikatoren entwickelt, mithilfe derer auf die Kritikalität und die Bewältigungskapazität von den in einem Landkreis oder einer kreisfreien Stadt befindlichen Kritischen Infrastrukturen und damit auf das raumzeitliche Gefahrenpotential eines Stromausfalls geschlossen wird. Zur Abschätzung des Gefahrenpotentials anhand dieser Indikatoren wurden Workshops mit Entscheidungsträgern der Gefahrenabwehr und des Katastrophenschutzes durchgeführt. Die in den Ergebnissen anhaftende Subjektivität der Abschätzungen und die sich daraus ergebene Parameterunschärfe wird mithilfe einer Monte-Carlo-Simulation als Streuung im Ergebnis berücksichtigt. Darüber hinaus wurde für eine zeitliche Differenzierung einzelne Indikatoren dynamisiert und ein modifiziertes Delphi-Verfahren entwickelt, mit dem Gruppenentscheide in Führungs- und Verwaltungsstäben unterstützt werden. Die Vulnerabilitätsanalyse wurde in die Entscheidungsprozesse der Bedarfsplanung und der akuten Krisenbewältigung in Deutschland eingebettet.
Für die Beurteilung stromausfallbedingter Gefahren in einem Landkreis oder einer kreisfreien Stadt werden mehrere Vulnerabilitätsaggregationen und Bewertungsverfahren verwendet. Hierdurch ergeben sich verschiedenartige raum-zeitliche Auflösungen der Gefahrenpotentiale und der örtlich individuellen Stromausfallfolgen, die Rückschlüsse über die Bedeutung von einzelnen Kritischen Infrastrukturen und Stadtteilen bzw. Gemeinden für die lebensnotwendige Versorgung der Bevölkerung, den schwerwiegendsten und den mildesten Stromausfallverlauf, die Erfüllung von Schutzzielansprüchen, örtliche Vulnerabilitätsdichten und die potentiellen Wirkung von zu erwägenden Maßnahmen ermöglichen. Hierdurch wird der Handlungsbedarf unterhalb der Ebene der Landkreise und kreisfreien Städten identifiziert, was ebenso die Zusammenarbeit zwischen Behörden und Betreibern Kritischer Infrastrukturen als auch die Bildung eines einheitlichen Gefahrenverständnisses im Rahmen von Sicherheitspartnerschaften fördert. Beispielhaft wurde das Verfahren unter Verwendung realitätsnaher Daten auf die Stadtkreise Mannheim und Karlsruhe angewendet.
Neben der Bedarfsplanung und der akuten Krisenbewältigung kann die Anwendung des Analyseverfahrens und seine Ergebnisse die Erfüllung der strategischen Ziele des Sendai Framework for Disaster Risk Reduction, denen sich die Bundesregierung verpflichtet hat, unterstützen. Ebenso kann die sachgerechte Priorisierung und prioritäre Versorgung von Kritischen Infrastrukturen oder Gebietskörperschaften anhand eines objektiven Vulnerabilitätsmaßes sowohl bei der Umsetzung des Gesamtkonzeptes Notstrom der Konzeption Zivile Verteidigung als auch im Kaskadeprinzip der VDE-AR-N 4140 bei kritischen Netzsituationen Anwendung finden.
Der methodischen Entwicklung einer solchen präskriptiven Entscheidungsunterstützung gingen grundlegende entscheidungsnormative Auseinandersetzungen voraus, in deren Ergebnis nicht nur die Grundlagen des Risiko- und Krisenmanagements betrachtet wurden, sondern auch stromausfallbedingte Gefahren schutzgutorientiert spezifiziert, plausible Stromausfallszenarien systematisch reflektiert, Lokale Kritischen Infrastrukturen definiert, Standards für KRITIS-Kataster erstellt, ein Bemessungsstromausfall als auslegungsrelevanter kritischer Stromausfall festgelegt und Schutzziele zur bedarfsorientierten Dimensionierung von Vorsorge- und Bewältigungsmaßnahmen betrachtet wurden. Da hierdurch bisherige Lücken in der Debatte zum Schutz Kritischer Infrastrukturen und in der sachgerechten Entscheidungsfindung bei der Vorbereitung auf Stromausfälle auf kommunaler Ebene geschlossen werden konnten, bilden diese Ergebnisse, neben der entwickelten Vulnerabilitätsanalyse, einen wertvollen Beitrag in der normativen Entscheidungsunterstützung.

A power outage can have dramatic consequences for the population. In particular, if the continued functionality of so-called critical infrastructures (e.g. hospitals, waterworks and dialysis clinics) is endangered, life-threatening situations can be expected. In this context, the present thesis conducts a spatial-temporal vulnerability assessment that should facilitate local authorities to analyze and to foresee the potential threats of a power outage in a city or a county which they are in charge for.
The proposed spatial-temporal vulnerability methodology assesses the temporal and spatial proximity and intensity of power outage consequences. ... mehrIt takes into account the criticality and the infrastructure provider’s ability to keep a continuous supply of critical infrastructures during a potential power outage. The assessment is essentially based on an indicator-based approach combined with a modified multi-attributive analysis. Indicators are used to quantify the criticality and coping capacity of considered critical infrastructures. To operationalize indicator values, available information from land registers or critical infrastructure cadasters are used. For some selected values, which could not be operationalized in this way, multiple workshops with representatives of local disaster management authorities were undertaken. The results are integrated into a modified Delphi method application to facilitate group decisions to those emergency respond teams who are in charge and were not part of the undertaken workshops. This operationalization has an inherent degree of subjectivity, which is additionally mathematically integrated by using Monte Carlo simulation. Furthermore, time-depending consequences are included by a dynamization of selected indicator values.
The vulnerability assessment is embedded to the planning processes for disaster preparation and disaster responds actions. It provides decision makers a deep and clear understanding about the spatial-temporal threats of power outages in a given area (i.e. city or county). The indicators are aggregated and evaluated in different ways. This leads to various spatial-temporal resolutions and depths. The results lead to conclusions about the importance of each critical infrastructure, each considered district and municipality regarding the provision of vital products and services for the population. Additionally, worst and mildest power outage scenarios, spatial vulnerability densities, achievement of predefined protection goals, and potential effects of considered counter measures can be demonstrated. The region-specific results facilitate the cooperation between the public authorities and critical infrastructure providers by generating a common picture of forthcoming power outage consequences. Vulnerability assessments were applied to the German cities of Mannheim and Karlsruhe as examples.
As a planning tool for response on disasters, the proposed vulnerability assessment also addresses the strategic aims of the UNISDR Sendai Framework for Disaster Risk Reduction, which the German Federal Government is committed to. Furthermore, the proposed vulnerability assessments pave the way to facilitate the overall concept for emergency power supply (Gesamtkonzept Notstrom) which is part of the German civil protection concept (Konzeption Ziviler Verteidigung). In view of the highly limited emergency power supply resources in Germany, the assessment identifies the priorities of power costumers. Such a conceptional consideration could lead to a proportionate distribution of limited resources and a prioritized supply of critical infrastructures or crucial regions. These abilities could also be embedded to the cascade principles VDE-AR-N 4140 in the power system operations. The primary aim of the cascade principles is to keep under control critical network situations, in particular by the shutdown of consumers and thus a reduction of electrical load. The integration of the proposed vulnerability assessment in the cascade principles could prevent vital consumers from a shutdown during such critical electricity network situations.
In order to make the vulnerability assessment consistent with the addressed normative requirements of the decision environment, several systematic scientific reviews were necessary. Therefore, this thesis includes considerations about fundamentals in risk and crisis management, power outage triggered threats addressing public protective goods, plausible power outage scenarios and a derivation of a rated and design-relevant power outage scenario, determination of local critical infrastructures, standards of critical infrastructure cadasters, and a consideration of protection targets for ensuring a demand-orientated continued service of critical infrastructures. These resulting investigations are valuable contributions to fill information gaps in the protection of critical infrastructures and the appropriate preparations to power outage consequences in Germany.