05.08.2020 • Energie

Modellieren für die Energiewende

Plattform der Helmholtz Energy Computing Initiative bietet Open-Source-Software.

Ob bei der Planung neuer Strom­leitungen und verteilter Kraftwerke oder bei einer Novellierung der Energiemarkt­regulation – Computer­modelle helfen dabei, im Rahmen der Energiewende fundierte Ent­scheidungen zu treffen. Bislang gab es für die Modellierung keine gemeinsamen Standards. Mit der Helmholtz Energy Computing Initiative (HECI), an der sich Wissen­schaftler verschiedener Helmholtz-Zentren beteiligen, präsentiert die Helmholtz Gemeinschaft HGF nun eine Plattform, auf der erstmals zugangsfreie Benchmarks, skalier­bare Methoden, realistische Daten sowie Open-Source-Software für die Projektierung und Optimierung künftiger Energie­systeme bereitstehen.

Abb.: Die Helmholtz Energy Computing Init­iative (HECI) stellt...
Abb.: Die Helmholtz Energy Computing Init­iative (HECI) stellt Modellierungs­werkzeuge für die Energie­system­optimierung frei zur Verfügung. (Bild: KIT /B. Mühr, wolkenatlas.de / J. Quinting)

„Mit dieser Initiative stellen wir wertvolle Ressourcen auf dem Weg zu einem sicheren, nachhaltigen und bezahlbaren Energiesystem frei zugänglich zur Verfügung“, sagt Holger Hanselka, Vizepräsident für den Forschungs­bereich Energie der Helmholtz-Gemeinschaft. „Wir bekennen uns damit klar zu Open Source und einem transparenten Austausch in der Wissenschaft. Dadurch setzen wir nicht nur globale Standards für die Energie­system­modellierung – sondern auch für Koopera­tion und offene Wissenschaft im Sinne der Prinzipien der Helmholtz-Gemeinschaft.“ Unter den zahlreichen Angeboten der HECI befindet sich beispielsweise die kosten­lose Software-Toolbox „Python for Power System Analysis“ (PyPSA), mit der moderne Strom­versorgungs­systeme simuliert und optimiert werden können.

Beim Bestimmen von Trans­formations­pfaden des Gesamtsystems hilft das „Framework for Integrated Energy Assessment“ (FINE) – eine Software, die speziell dafür entwickelt wurde, sektor­übergreifende Energiesysteme zu verbessern. Für die Lösung typischer Optimierungs­probleme beim Ausbau erneuerbarer Energien stehen neu entwickelte Algorithmen wie der „McCormick-based Algorithm for mixed-integer Nonlinear Global Opti­mization“ (MAiNGO) oder auch das „Time Series Aggregation Module“ (tsam) zur Verfügung. Neben den Software­angeboten finden sich auf der HECI-Plattform außerdem Datensätze sowie auch Energie­system­modelle inklusive Daten zur Bewertung von Methoden der Simulation und deren Weiterentwicklung. Ein Zusammenspiel der unter­schiedlichen Werkzeuge ermöglicht, optimale Betriebs- und Investitions­entscheidungen in Energie­systemen einzelner Liegen­schaften bis hin zu europäischen Übertragungs­netzen zu treffen und dabei gleichzeitig auf eine Erfüllung der Klimaziele von Paris hinzuarbeiten.

Realisiert wurde die HECI-Plattform von Wissen­schaftlern im Rahmen der gemeinsamen Helmholtz-Initiative „Energie System 2050“. Beteiligt waren neben dem KIT das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Helmholtz-Zentrum Potsdam (GFZ), das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossen­dorf (HZDR), das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP – assoziiert) sowie das Helmholtz-Zentrum für Umwelt­forschung (UFZ). Ein offenes und gemeinsames Ökosystem für die Modellierung von Energie­systemen hat viele Vorteile: Da Energiepolitik in hohem Maße kontrovers sein kann, erhöht offene Forschung das Vertrauen der politischen Entscheidungs­träger und der Öffent­lichkeit in die Ergebnisse der Wissenschaft. Durch die zugangsfreie Verfügbarkeit wird zudem die Redundanz von Forschungs­arbeit verringert, sodass Ressourcen effizienter genutzt werden. Außerdem kann auch die Qualität der Forschung selbst profitieren, da Feedback und Fehler­korrekturen durch zahlreiche Akteure in die weitere Entwicklung des offenen Quellcodes einfließen.

Nicht zuletzt fördert die Open-Source-Bereit­stellung auch die Kooperation im Energie­bereich auf nationaler und internationaler Ebene. So lassen sich Modelle viel leichter austauschen, wenn sie mit denselben Werkzeugen erstellt wurden, und Software kann zudem einfacher an die eigenen Bedürfnisse angepasst werden. Statt auf teure Trainings­einheiten zurückgreifen zu müssen, können sich Benutzer bei der Anwendung zudem gegenseitig unterstützen. Bereits heute sind die Modellierungs­werkzeuge der Helmholtz-Gemeinschaft etwa bei großen Übertragungs­netzbetreibern in Deutschland im Einsatz. Auch weltweit werden sie von Forschungs­institutionen, NGOs und Unternehmen verwendet.

KIT / JOL

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