Recknagel
Energieversorgung, Energienetze
Um zukünftig eine nachhaltige und CO2-neutrale Energieversorgung gewährleisten zu können, muss der gesamte Energiekreislauf in Strom-, Gas- und Wärmenetzen betrachtet werden. (Quelle: Fraunhofer SCAI)

Simulation von Energienetzwerken – Szenarien für die zukünftige Energieversorgung

Ziel des Projektes MathEnergy ist es, eine Software bzw. Softwarebibliothek zu erstellen, die es ermöglicht, das komplette gekoppelte Gas- und Stromnetz Deutschlands in allen Ebenen abzubilden. Mit dieser Software soll zukünftig die Steuerung des Gesamtnetzes verbessert werden können.

Die neue 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.

MathEnergy umfasst mehrere Teilvorhaben

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.

Szenarien für gekoppelte Gas- und Stromnetze

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.

Softwarebibliothek

Die Projektpartner werden schließlich 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.

Verbundprojekt MathEnergy

Das Verbundprojekt MathEnergy läuft von Oktober 2016 bis September 2020 mit Gesamtkosten von ca. 7,5 Millionen Euro und wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit ca. 6 Millionen Euro gefördert. (fei)

Projektpartner MathEnergy

Fachgebiet Mathematik:

  • Fraunhofer-Institut für Algorithmen und Wissenschaftliches Rechnen SCAI, Sankt Augustin, Dr. Tanja Clees (Projektkoordinatorin)
  • Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg, Prof. Dr. Peter Benner, Dr. Sara Grundel
  • Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Kaiserslautern, Prof. Dr. Dieter Prätzel-Wolters, Dr. Andreas Wirsen
  • Humboldt-Universität Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät, Institut für Mathematik, Angewandte Mathematik, Prof. Dr. Caren Tischendorf
  • Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, Naturwissenschaftliche Fakultät, Department Mathematik, Angewandte Mathematik, Prof. Dr. Nicole Marheineke

Fachgebiet Energiesysteme:

  • Technische Universität Dortmund, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und Energiewirtschaft, Prof. Dr. Christian Rehtanz
  • Technische Universität Berlin, ITM Institut für Technologie und Management, Fachgebiet Energie- und Ressourcenmanagement, Prof. Dr. Joachim Müller-Kirchenbauer

Industrie:

PSI Software AG, Essen (Dr. Michael Werger, Projektleitung Anteil PSI und Sektor Gas) und Aschaffenburg (Dr. Michael Heine, Sektor Strom)

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