Simulierte Energienetze

Deutschland hat sich ein ehr­geiziges Ziel für das Einsparen von Kohlen­dioxid gesetzt: Bis 2050 sollen die CO₂-Emissionen um 80 bis 95 Prozent im Vergleich zu 1990 reduziert werden. Um zukünftig eine nach­haltige und CO₂-neutrale Energie­versorgung gewährl­eisten zu können, muss der gesamte Energie­kreislauf in Strom-, Gas- und Wärme­netzen betrachtet werden. Um sowohl die Erforder­nisse seitens der Energie­träger und der Energie­speicherung als auch die Anforderungen der Netzaus­lastung und des Netz­ausbaus ganz­heitlich betrachten zu können, wurde das Verbund­projekt MathEnergy, gefördert vom Bundes­ministerium für Wirtschaft und Energie BMWi, ins Leben gerufen. Es vereint Wissen­schaftler aus vier Univer­sitäten, zwei Fraun­hofer-Insti­tuten und einem Max-Planck-Institut sowie Partner und Netz­betreiber aus der Energie­wirtschaft.

Ziel von MathEnergy ist es, eine Software zu erstellen, die es prinzipiell ermöglicht, das komplette gekoppelte Gas- und Stromnetz Deutsch­lands in allen Ebenen abzubilden. In Zukunft soll mit dieser Software die Steuerung des Gesamt­netzes signi­fikant verbessert werden können. Die Software soll in der Lage sein, langfristige Ent­scheidungen zu unter­stützen, um Versorgung und Rohstoff­zufuhr zu sichern, Netzstabilität zu gewähren oder den Netz­ausbau lokal voran­zutreiben. Es gilt, mit schnellen Simu­lationen für unter­schiedliche Szenarien im täglichen opera­tiven Geschäft unver­zügliche und sachliche Ent­scheidungen treffen zu können.

Dafür müssen mathe­matische Methoden entwickelt werden, um Gas- und Strom­flüsse in großen, komplexen Netz­werken zu berechnen und schließlich simulieren zu können. Die Heraus­forderung besteht darin, umfassende, hierarchisch aufge­baute Systeme und starke Abhängig­keiten zwischen den einzelnen Netzen zu erfassen und abzubilden. Aus einem komplexen Modell muss schließlich ein ein­facheres, per Algo­rithmus schnell berechen­bares erzeugt werden können.

Die energie­wirtschaft­lichen Anfor­derungen seitens der Gas- und Stromnetze werden von mehreren Projekt­partnern untersucht. Sie gehen der Frage nach, wie die tech­nischen Netzwerke so beschrieben werden können, dass die mathe­matischen Modell­gleichungen einerseits ein gutes Abbild der physika­lischen Welt darstellen und anderer­seits für eine effiziente Simu­lation geeignet sind. Zum Beispiel müssen die Wissen­schaftler im Hinblick auf die Kompressi­bilität des Gases ermitteln, mit welchen Gleichungen und welchen Parameter­werten der reale Gasfluss am besten wider­gespiegelt wird. Die entstehenden hoch­komplexen Modellg­leichungen sollen mit mathe­matischen Methoden reduziert und mit neuen nume­rischen Berechnungs­verfahren effizient gelöst werden. Diese Aufgabe kommt vorwiegend den Mathematikern des Verbunds zu.

Schließlich sind von den Projekt­partnern gemein­schaftlich Szenarien für gekoppelte Gas- und Strom­netze zu entwerfen. Wenn sich die Netze berechnen lassen, sind auch verläss­liche Aussagen zum Zustand der Netze möglich, klassische Regelungs- und Steuer­konzepte können auf die Netze angewendet werden. Die praxis­orientierteren Projekt­partner werden erar­beitete Module und Analyse­konzepte in einer Software­bibliothek und passenden Workflows zusammen­führen. Alle beteiligten Projekt­partner werden zudem exemplarische, umfang­reiche gekoppelte Netze und Szenarien berechnen und diese schließlich als Anwendungs­beispiele für die Software­bibliothek bereit­stellen.

Fh.-SCAI / JOL