Schöne neue Elektrozeit: In nicht allzu ferner Zukunft soll des Deutschen liebstes Kind – das Auto – elektrifiziert werden. Man unterhält sich dann nicht mehr über den satten Sound des Motors und die Anzahl der verchromten Auspuffendrohre. Themen wie Drehmoment, Beschleunigungswerte und Höchstgeschwindigkeit werden aber bleiben und andere Themen wie maximale Reichweite kommen hinzu. Aber ist dies alles nur eine Öko-Vision von Menschen, die eine grüne Umweltschutzplakette lediglich nur noch auf einem Battery Electric Vehicle (BEV) sehen wollen?
Weit gefehlt: Mit dem Nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität hat die Bundesregierung es sich zum ambitionierten Ziel gesetzt, bis 2020 eine Million Elektrofahrzeuge auf die Straßen zu bringen. Das Konzept sieht vor, die Batterieeinspeisung des Fahrzeuges zu 100% aus dem Stromnetz zu beziehen.
Bevor aber ein glücklicher Elektroauto-besitzer seinen ökologisch sinnvollen E-Boliden in der Garage an eine entsprechende Steckdose anschließen kann, müssen von der Industrie noch einige Probleme gelöst werden. Neben den Traktionsbatterien (derzeit auf Basis der Lithium-Ionen-Technologie), die es gilt bezahlbar zu machen und deren Kapazität deutlich gesteigert werden muss, rückt das Thema Infrastruktur in den Fokus.
Da der elektrische Ladevorgang auch bei serienreifen Traktionsbatterien und unter Verwendung von Starkstromkabeln zeitlich nicht annähernd mit dem Betanken eines mit fossilen Brennstoffen angetriebenen Fahrzeugs vergleichbar ist, würde der minütige Tankstellenbesuch für das Beladen des Fahrzeug-Akkus sich auf einen wenig längeren Tankstellenshopbesuch ausdehnen. Hier muss man über komplett neue Konzepte nachdenken. Der Spruch: »Ich fahr mal eben tanken« wird in 2020 nicht mit »Ich fahr mal eben laden« ersetzt.
Mit Ausnahme von sogenannten Swap-Konzepten, bei denen die Akkus der Fahrzeuge ausgetauscht werden, beziehen sich die meisten anderen Lösungen auf das Beladen der Autos durch entsprechende Ladestationen. Das grundsätzliche Prinzip ist bei den derzeitigen Modellversuchen für Standardladevorgänge zurzeit wie folgt: Über ein kommunikationsfähiges, 3-phasiges Ladekabel, welches für eine Spannung von 400V und Stromstärken bis maximal 63A ausgelegt ist, wird das Elektrofahrzeug an eine Ladestation angeschlossen, die neben den aus Sicherheitsgründen notwendigen elektrischen Schaltvorrichtungen (Fehlerstrom- und Leitungsschutzschalter) mit folgender IT bestückt ist:
•Kommunikationsanbindung (GW) zum Backend der Stromnetzbetreiber (je nach Auslegung Ethernet, WiFi-Modul, Powerline-Koppler) und zum Fahrzeug
•SmartMeter
•Abrechnungskomponente (Point of Sales – PoS)
•eventuell ein Benutzerinterface (UI)
Dabei soll die Ladung erst dann beginnen, wenn das Ladekabel richtig angeschlossen ist, die zugehörigen Meldekontakte ausgelöst wurden und die Schutzschalter korrekt arbeiten.
Da der Aufbau einer Infrastruktur solcher aufwendig ausgestatteter Ladestationen mit enormen Kosten verbunden ist, werden langfristig auch andere Konzepte zusätzlich zum Einsatz kommen, die aus der Sicht der IT Security aber noch viel interessanter sind und mobile Smart Metering Devices als Schlüsseltechnologie in den Mittelpunkt stellen.
Nicht immer hohe Leistung
Würde das BEV regelmäßig über Nacht oder bei anderen längeren Parkvorgängen geladen werden, benötigte man nicht die speziell abzusichernde hohe Stromleistung. Ein Beladen des Fahrzeuges an der heimischen Steckdose mit Ladeströmen bis maximal 16A könnte hier ausreichend sein.
Die in der Privatgarage eventuell ausreichende 220-V-Schukosteckdose als minimalistischen Stromzugang wird man aber im öffentlichen Bereich weder technisch noch politisch wollen. Zwischen Schukosteckdose und technologisch aufgepimpten Ladestationen gibt es aber zukünftig sicherlich noch einen bezahlbaren Mittelweg mit sogenannten Stromstellen speziell im halböffentlichen Bereich (Parkhäuser oder Parkflächen für Miets- und Gewerbehäuser).
Eine solche Stromstelle könnte man grundsätzlich konzeptionieren wie die Ladestationen unter Verwendung des gleichen nun standardisierten Ladekabels. Die Ladestation wird hierbei jedoch um einige IT-Komponenten erleichtert, die sich dann wiederum als zentrale Komponenten in gesicherter Gebäudeumgebung oder als ›On-Board-Instrumente‹ im Fahrzeug widerfinden.
Internetfähige Autos
Zurzeit geht auch bei der Automobilindustrie der Trend dahin, das Auto mit immer mehr IT-Diensten und Steuerungsinstrumentarien zu versehen und auch internetfähig zu machen. Für BEV wird es zusätzlich eine entsprechende Logik geben, die den eingehenden Ladestrom misst, steuert und über Anzeigeinstrumente den Fahrer informiert. Somit wäre eine Virtuelle LadeInfrastruktur (VLI) denkbar.
Bei VLI ist die Ladestation um das Smart Meter, das PoS und das UI erleichtert – diese befinden sich stattdessen im Automobil. In diesem Fall sind Messelement (mobiles Smart Meter) und PoS in einem Sicherheitsmodul (OBCM – On-Board Charging and Metering Device) eingebettet, welches Manipulationen erkennen lässt. Die Bedieneroberfläche des Entertainmentsystems wird um die Funktionalität zur Bedienung des Ladevorganges erweitert. Auch wenn hierbei Technologien eines Messstellenbetreibers physikalisch ins Automobil transferiert werden, ließe sich dennoch auf logischer (virtueller) Ebene eine präzise Trennung realisieren.
Auf der Gegenseite – im Backend eines Parks von Stromstellen oder entsprechenden häuslichen Stromanschlüssen – befindet sich eine spezielle Managementkomponente (MK) für alle angeschlossenen Stromstellen, die entscheidet, ob ein Ladevorgang für ein identifiziertes BEV stattfinden darf und zudem den entsprechenden Gebührensatz an das OBCM weiterleitet. Hierzu muss die MK zusätzlich eine Internet-Verbindung mit einem Zertifizierungsdienst beim EVU besitzen.
Identifikation bis Rechnung
Der Kommunikationsweg wäre dann wie folgt – grob skizziert – vorstellbar:
•Identifizierung: Nach Einstecken des Ladekabels überträgt das OBCM die Identifikationsdaten der Stromstelle und des Fahrzeuges (inkl. Authentisierungsinformationen) an das MK.
•Autorisierung: Das MK gleicht die Identifikationsdaten mit einem Zertifizierungsdienst beim EVU ab und entscheidet, ob ein Ladevorgang stattfinden darf. In positivem Fall wird dem BEV ein ›Token‹ zurückgesendet, mit dem der Ladevorgang autorisiert wird.
•Anzeige der Tarifinformationen: Der Fahrer bekommt den Tarif zum Laden des Fahrzeuges im Auto angezeigt.
•Ladevorgang: Start und Beendigung des Ladevorganges und hiermit gekoppelte Aktivierung der Wegfahrsperre und Signal zur Ver- und Entriegelung des Ladesystems sowie Durchführung der Schutzleiterüberwachung.
•Trennung des Fahrzeuges: Nach Trennung des Fahrzeuges von der Stromstelle wird der entsprechende Betrag in der OBCM ermittelt und dem MK mitgeteilt. Über ein ›Clearing‹ erhält der Fahrzeuginhaber eine Rechnung.
Damit keine Angriffe auf OBCM, Stromstelle und MK erfolgen können, ist die Implementierung eines ausgeklügelten Schlüsselmanagements notwendig, deren zentrale Systembestandteile beim EVU oder einer Clearing-Stelle liegen. Diese Systeme können mit bereits vorhandenen Standardlösungspaketen aus der IT-Security-Industrie realisiert werden.
Inwieweit diese dann für den skizzierten hochsicheren Einsatz im Automobil genügend Security bieten, lässt sich mit international anerkannten Prüfverfahren wie beispielsweise den Common Criteria (www.commoncriteriaportal.org) in geeigneter Prüftiefe untersuchen.
Wenn im Jahr 2020 der Ansatz »Laden beim Parken!« ernsthaft verfolgt werden sollte, der gleichzeitig den V2G-Ansatz (Vehicle-to-Grid) stützt, sollte auch eine flächendeckende Ladeinfrastruktur speziell im halböffentlichen Bereich über kostengünstige Stromstellen realisiert werden. Diese Stromstellen bestehen dann vielleicht lediglich aus normenkonformen und mit Schutzschaltern ausgestatteten Steckdosen, die unter Umständen in einem Parkhaus verbaut sein können. Die Intelligenz zu deren Betrieb liegt im Fahrzeug (mit mobilem Smart Meter) und den Schlüsselmanagementsystemen der Clearing-Stellen. Die IT bietet hierzu bereits Lösungen auf einem ausreichend hohen Security-Niveau. <
Markus Bartsch (TÜViT)
www.tuvit.de
Interview
»Erheblich mehr Ladepunkte als E-Autos«
Markus Bartsch, Business Development Manager bei der TÜViT (TÜV Nord Gruppe), zu künftigen Ladeinfrastrukturen von E-Fahrzeugen und den damit verbundenen Gefährdungen aus Sicht der IT.
es: Worin liegen die konkreten Herausforderungen bei der Umsetzung der Ladeinfrastruktur für eine flächendeckende Elektromobilität?
Für den zukünftigen Käufer eines Elektrofahrzeuges wird die Frage nach den Möglichkeiten, wo sein Fahrzeug geladen werden kann, ein wichtiges Kaufkriterium sein. Für eine flächendeckende Infrastruktur wird man erheblich mehr Lademöglichkeiten benötigen, als sich batteriebetriebene Fahrzeuge auf der Straße befinden werden. Um den Aufbau finanzierbar zu gestalten, macht es Sinn, sich zu überlegen, wie man hier Kosten sparen kann. Ein möglicher Ansatz wäre, technisches Equipment wie Mess- und Abrechnungssysteme oder das Benutzerinterface in das Fahrzeug zu transferieren oder dort bereits vorhandene Technologien mit zu nutzen.
es: Ist das technisch kein Problem?
Eichtechnisch sollte es keine Probleme geben – auch heute befinden sich bereits geeichte Geräte in Fahrzeugen wie das Taxometer. Es gelten hier sicherlich verstärkte Anforderungen als für in Gebäuden verbaute Messgeräte. Diese Anforderungen hinsichtlich EMV und Umweltverträglichkeit müssen freistehende Ladestationen aber auch erfüllen. Das Gleiche gilt für die Manipulationssicherheit: Ob das Gerät in Auto oder Ladestation verbaut ist, ist einem potenziellen Angreifer ziemlich egal – speziell dem über das Internet agierenden Hacker. Man muss bedenken, dass diese Geräte bald alle vernetzt sein werden.
es: Wer wäre dann der Betreiber dieser Messpunkte?
Nach derzeitiger Lage wäre es ein Netz- oder Messstellenbetreiber.
es: Das Ergebnis wäre eine Art Energieroaming. Wie ließe sich dies technisch lösen?
Der Begriff Roaming kommt aus der Telekommunikation. Die Mobilfunkprovider haben früh begriffen, dass es deren Kunden ganz nett fänden, wenn sie überall in der Welt mit ihrem eigenen mobilen Telefon kommunizieren können – ohne sich dabei um irgendwelche Abrechnungsprozesse zu kümmern. Ähnliches würde ein Elektroautobesitzer für seine Ladevorgänge auch erwarten. Um dies technisch zu realisieren, müssen sich die einzelnen Player zunächst mal auf ein paar Standards einigen, bevor es an den Aufbau komplexer Backendsysteme geht.
es: Es gibt auch Lösungen mit Messpunkten in den Ladestationen. Wird man sich auf einen Weg einigen?
Zunächst wird es Parallellösungen geben. Ich bin aber zuversichtlich, dass sich letztlich interoperable Lösungen durchsetzen werden, die sich rechnen und auch angenommen werden. Zu hoffen ist, dass diese Lösungen auch sicher sind. Entsprechende Entscheidungen sollten dringend vor dem großen Rollout gefällt werden.
es: Welche Gefahren für die Sicherheit der Systeme drohen hier konkret?
Neben dem bastelnden Modder, der versucht, die in seinem Auto verbaute Hardware oder den Smart Meter im Haus zu manipulieren, gibt es auch Angreifer aus dem Netz. Sollte ein netzbasierter Angriff gelingen, werden gleich ganze Baureihen von Geräten oder die Backendsysteme gehackt. Dies betrifft nicht nur die Veränderung von Messdaten: Allein die Möglichkeit, übertragene Daten abhören zu können, stellt bereits ein Datenschutzproblem dar. Hier sollten im Vorfeld Sicherheitsfunktionalitäten implementiert werden, die diese Angriffe nach dem Stand der Technik verhindern.
es: Was können Sie von TÜViT aus prüftechnischer Sicht hier anbieten?
Als ein beim BSI akkreditiertes Prüf-unternehmen wissen wir, mit welchen Methoden man auch im eMobility-Umfeld prüfen und beurteilen kann, ob IT-Lösungen nach dem Stand der Technik wirksam geschützt sind. Für IT-Komponenten bieten sich die international anerkannten Common Criteria an, für Backend-Systeme unsere individuellen Prüfverfahren. (mn)
