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Modelle zum Thüringer Energienetz

In die Tiefe geblickt

Freitag, 28. Januar 2022, 18:00 Uhr
Woher wird unser Strom in Zukunft kommen und wie schafft man es, dass er bezahlbar bleibt? Zwei knappe Fragen in einem Satz, deren Beantwortung ganze Bücher füllen könnte. An der Nordhäuser Hochschule arbeitet man seit drei Jahren an einem Weg, diese Komplexität in der Tiefe zu durchdringen…

Wie weiter mit der Energiewende? Unter dem Motto "So geht's" arbeiten Forscher der Nordhäuser Hochschule an präzisen Modellberchnungen (Foto: nnz-Archiv) Wie weiter mit der Energiewende? Unter dem Motto "So geht's" arbeiten Forscher der Nordhäuser Hochschule an präzisen Modellberchnungen (Foto: nnz-Archiv)


Über die Energiewende und das tatsächliche Potential erneuerbarer Energieträger, über Stromtrassen, Kraftwerke, Netzlasten, Speichertechnologien und natürlich die Kosten wird und wurde in Deutschland und Thüringen in den letzten Jahren viel und innig gestritten.

Die tatsächliche Komplexität, die hinter diesen Fragen steht, schafft es derweil selten bis in den Fokus des öffentlichen Interesses. Eine erfolgreiche Abkehr von fossilen Energieträgern ist nicht allein eine Frage des Wollens, es ist vor allem auch eine Frage des Könnens. Und Ihre Beantwortung kann letztlich nicht auf idealisiertem Wunschdenken fußen, sonder muss auf harten Fakten ruhen. Konkret bedeutet das: viel Mathematik und lange, harte Arbeit.

Genau der hat man sich an der Nordhäuser Hochschule in den letzten drei Jahren gestellt. Die Ingenieure rund um Professor Dr.-Ing. Viktor Wesselak haben in dieser Zeit an einem Modellsystem gearbeitet, dass in der Lage sein soll, die mögliche Entwicklung des Thüringer Energiesystems bis zum Jahr 2050 sowohl in räumlicher wie auch zeitlicher Tiefe unter variablen Vorgaben aufzuzeigen. Das Ergebnis bezeichnet Wesselack als ein „Werkzeug“ das der Systemoptimierung dienen soll.

Wobei der Begriff Werkzeug etwas in die Irre führt. Was die Wissenschaftler hier gebaut haben, ist nicht das Äquivalent zu einem Hammer mit dem man Nägel in die Wand haut. Eine griffigere Metapher wäre vielleicht das Mischpult eines Tontechnikers - ein komplexes Gerät voller Stellschrauben die für den Laien nicht nachvollziehbare Funktionen erfüllen und die bei jeder kleinen Einstellung das Ergebnis beeinflussen. Nur das hier ein Regler nicht alleine die Musik macht, sondern die Stellschrauben auch untereinander in Beziehung stehen und sich gegenseitig beeinflussen. Aufgabe des Programms ist es, wenn wir im sprachlichen Bild bleiben wollen, am Ende eine Harmonie zu erzeugen.

Neu ist, das dass Modell sich nicht auf gemittelte Jahreswerte stützt, sondern präzise, zeitliche Auflösungen bis auf Tag und Stunde hinab darstellen kann. Allein für die Berechnung der Stromlast über ein Jahr arbeite man mit 8760 sich ständig verändernden Datenpunkten, erläutert Professor Wesselack. Die grundlegenden Informationen und komplizierten Berechnungen einzuspeisen, habe bisher einen Großteil der Arbeit ausgemacht, jetzt könnte man dem Programm konkrete Aufgaben stellen. Wie passiert wenn die Preise für Batteriespeicher steigen? Was wenn ein neues Pumpspeicherkraftwerk gebaut wird? Was wenn die Rohstoffpreise anziehen? Was wenn auf zwei statt wie bisher einem Prozent der Thüringer Landesfläche Windkraft gebaut würde? Was wenn im Gegenzug weniger auf Photovoltaik gesetzt wird? „Wir können sehr spezifische Fragen stellen, der Optimierer berechnet dann die günstigste Variante“, erläutert der Professor. Auch hier können die Forscher dem Modell unterschiedliche Aufgaben stellen und so etwa die beste Variante für die Reduktion des CO2 Ausstoßes berechnen, den finanziell günstigsten Ausgang oder auch einen Mittelweg zwischen beidem.

Die Modellberechnungen komplexer Zusammenhänge können je nach Anfrage mehrere Tage Rechenzeit in Anspruch nehmen (Foto: Abschlussbericht Energiesystemmodellierung) Die Modellberechnungen komplexer Zusammenhänge können je nach Anfrage mehrere Tage Rechenzeit in Anspruch nehmen (Foto: Abschlussbericht Energiesystemmodellierung)


Begünstigende Faktoren spielen ebenso in das Endergebnis hinein, wie möglicherweise restriktive Einflüsse und können nach Bedarf angepasst werden. Dabei stützt man sich wenn möglich auf genaue Datenpunkte, etwa das Thüringer Kataster für den Bau von Pumpspeicherkraftwerken und die bekannten „Lastprofile“ existierender Technik, oder man betrachtet die Auswirkungen des europäischen Stromnetzes über die Einbindung der Börsenstrompreise am gemeinsame europäischen Strommarkt. Technische Lösungen, die vielleicht am Horizont stehen mögen, aber noch nicht einsatzreif sind, finden keinen Eingang in die Berechnung, man nutze nur das, was schon da ist, erklärt Wesselak. Grundannahmen, wie einen Rückgang des Gesamtstromverbrauchs, begründet man mit Daten zur Bevölkerungsentwicklung und höheren Wirkungsgraden Abseits des privaten Verbrauchs.

Die bisherigen Ergebnisse hat die Forschergruppe in einem 160 Seiten starken Bericht zusammengefasst. Begleitet wurde die Arbeit durch einen „Werkstattprozess“ in dem alle sechs Wochen diverse Fachakteure aus Thüringen dazu eingeladen worden, kritische Fragen an die Forschungsgruppe zu stellen und ihre Modelle zu prüfen. „Das ist wie ein peer review Prozess, nur anstrengender. Aber die Leute kennen sich in ihren Branchen aus und man lernt viele Dinge, die man so in der Literatur vielleicht gar finden würde“, sagt Wesselak. Das Modellsystem soll nun vor allem den politischen Entscheidern an die Hand gegeben werden, um für die Zukunft planen zu können. Der Strom- und Wärmemarkt sei zwar ein komplexes, überregionales System, auf Ebene der Länder, Kommunen und privaten Haushalte würde aber entscheidende Weichen gestellt. Für das bundesdeutsche Energiesystem gibt es bereits ähnliche Ansätze, auf Landesebene ist das Programm der Nordhäuser Forscher aber bisher einzigartig. „Wir haben unser Projekt jetzt an verschiedenen Stellen vorgestellt und das Interesse ist groß. In den kommenden drei Jahren wollen wir die Systematik weiter verfeinern und an Punkten arbeiten, die wir bis jetzt nur anreißen konnten, etwa die detaillierte Abbildung regionaler Infrastrukturen“, so Professor Wesselak gegenüber der nnz.

Gearbeitet haben die Wissenschaftler im „Open Source“ Gedanken auf Basis der „Python“ Programmiersprache. Die Daten können also theoretisch von jedem Interessierten eingesehen und weiter verarbeitet werden, vorausgesetzt man verfügt über die passende Technik und Programmierkenntnisse. Je nach Komplexität der Abfrage könne das System Ergebnisse in einem Zeitfenster zwischen sechs Minuten und sechs Tagen „ausspucken“, kann Wesselack berichten. Man könne Abfragen erstellen, die nur wenige Parameter ändern oder dem Modell Problemstellungen geben, die mehrere hundert Dimensionen umfassen. Die Forschungsgruppe greift dafür auf das Rechenzentrum der Kollegen an der Universität Ilmenau zurück. Es sei aber durchaus auch möglich, die Berechnungen auf dem heimischen Laptop laufen zu lassen, nur dauert es dann „etwas“ länger.

Wer selber einen genaueren Blick auf die Verfahrensweise werfen will, der findet den Abschlussbericht der Forscher .
Angelo Glashagel
Autor: red

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