MathEnergy: Mathematische Schlüsseltechniken für Energienetze im Wandel

Im Verbundprojekt MathEnergy wollen Wissenschaftler aus vier Universitäten, zwei Fraunhofer-Instituten, der Energiewirtschaft und dem Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg eine Softwarebibliothek erstellen, die das komplette gekoppelte Gas- und Stromnetz Deutschlands in allen Ebenen abzubilden vermag.

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.

Deutschland hat sich ein ehrgeiziges Ziel für das Einsparen von Kohlendioxid gesetzt: Bis 2050 sollen die CO2-Emissionen um 80 bis 95% 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 Wissenschaftlerinnen und 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 bzw. Softwarebibliothek 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.

Das Verbundprojekt 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. 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 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 als Anwendungsbeispiele für die Softwarebibliothek bereitstellen.

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.

Übersicht geförderter 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 Informations-technik, 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)

http://www.mathenergy.de/