Die Software soll schliesslich langfristige Entscheidungen unterstützen, um Versorgung und Rohstoffzufuhr zu sichern, Netzstabilität zu gewährleisten oder den Netzausbau lokal voranzutreiben.

Signifikant bessere Steuerung
Um zukünftig eine nachhaltige und CO2-neutrale Energieversorgung gewährleisten zu können, muss der gesamte Energiekreislauf in Strom-, Gas- und Wärmenetzen betrachtet werden. Damit sowohl die Erfordernisse seitens der Energieträger und der Energiespeicherung als auch die Anforderungen der Netzauslastung und des Netzausbaus ganzheitlich betrachten werden können, wurde das Verbundprojekt Mathenergy ins Leben gerufen. 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.

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.

Text: Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme Magdeburg