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Neueste mathematische Verfahren zum effizienten und nachhaltigen Einsatz von Energie

Mit mathematischen Modellen zur Energiewende beitragen

Pressemitteilung der TU Chemnitz

23. April 2018

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts Magdeburg sind mit Forschungsinstitutionen aus Chemnitz und Ilmenau sowie Partnern aus der Praxis Teil des Verbundprojekts KONSENS. Sie entwickeln, untersuchen und erproben neueste mathematische Verfahren zum effizienten und nachhaltigen Einsatz von Energie. Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
Durch oft an eher abgelegenen Orten verfügbare erneuerbare Energiequellen mit zeitlich stark schwankender Leistungsabgabe werden die Stromnetze heute zunehmend an den Grenzen ihrer Belastbarkeit betrieben. Foto: Bildarchiv der Pressestelle TU Chemnitz/Sven Gleisberg Bild vergrößern
Durch oft an eher abgelegenen Orten verfügbare erneuerbare Energiequellen mit zeitlich stark schwankender Leistungsabgabe werden die Stromnetze heute zunehmend an den Grenzen ihrer Belastbarkeit betrieben. Foto: Bildarchiv der Pressestelle TU Chemnitz/Sven Gleisberg [weniger]

Innerhalb des Förderprogramms "Mathematik für Innovationen als Beitrag zur Energiewende" fördert das Bundesministeriums für Bildung und Forschung seit Anfang des Jahres 2018 in einem hoch kompetitiven Auswahlprozess ermittelte Forschungsverbundprojekte, in denen mehrere Forschungsinstitutionen gemeinsam mit Partnern aus der Praxis neueste mathematische Verfahren zum effizienten und nachhaltigen Einsatz von Energie entwickeln, untersuchen und erproben.

Das von der Technischen Universität Chemnitz koordinierte Verbundprojekt "Konsistente Optimierung und Stabilisierung elektrischer Netzwerksysteme (KONSENS)" in Zusammenarbeit mit der TU Ilmenau und dem Max-Planck-Institut für Dynamik komplexer technischer Systeme in Magdeburg gehört zu diesem ausgewählten Kreis. Unter anderem zählt der Verbund den deutschen Übertragungsnetzbetreiber TenneT TSO GmbH und den Verteilnetzbetreiber ENSO NETZ GmbH zu seinen Forschungspartnern.

Die Mitglieder des Verbunds trafen sich Anfang April 2018 zu ihrem Kick-off-Meeting an der TU Chemnitz, um ihre Forschungsaufgaben und Lösungsansätze miteinander zu diskutieren und aufeinander abzustimmen. An der TU Chemnitz sind die Professuren Algorithmische und Diskrete Mathematik aus der Fakultät für Mathematik sowie die Professur Regelungstechnik und Systemdynamik aus der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik beteiligt.

Lastfluss soll effizient gesteuert werden

Eine Kernaufgabe der Netzbetreiber besteht darin, den durch Erzeuger und Abnehmer erzeugten Lastfluss möglichst effizient so durch die Netze zu steuern, dass ohne Überlastung von Netzkomponenten die an den Börsen vereinbarten Stromtransaktionen umgesetzt werden können. Durch oft an eher abgelegenen Orten verfügbare erneuerbare Energiequellen mit zeitlich stark schwankender Leistungsabgabe werden die Netze dabei zunehmend an den Grenzen ihrer Belastbarkeit betrieben. Zur Erhaltung der Netzstabilität erfordert dies immer öfter regelnde Eingriffe in Form von Korrekturen der ursprünglich  vereinbarten Energieeinspeisungen. Die dadurch entstehenden Kosten werden nach gesetzlichen Vorschriften auf die Netzentgelte und damit auf den Strompreis umgelegt. Neue Speicher- und Steuerelemente auf allen Netzebenen, von den Höchst- über die Hoch- und Mittel- bis zur Niederspannungsebene eröffnen nun Flexibilitäten zur Umverteilung und Steuerung der Lasten im Netzwerk, die eine gleichmäßigere und damit effizientere Auslastung der Netze bei gleichzeitiger Reduktion der notwendigen regelnden Eingriffe erlauben, wenn denn die Planungswerkzeuge diese Flexibilitäten auch planerisch nutzen können.

Einfache Modelle für mehr Flexibilität im Netzwerk

Und genau an dieser Stelle setzt das Verbundprojekt KONSENS an. Sein Ziel ist es einerseits, geeignet berechenbare, vereinfachte Modelle der in den verschiedenen Netzebenen verfügbaren Flexibilitäten so zu erstellen, dass sie über die Netzebenen hinaus nutzbar gemacht werden können, andererseits neue Optimierungsverfahren zu entwickeln, die die so beschriebenen Flexibilitäten auch zur effizienten Regelung des Lastflusses durch die Netzwerkebenen nutzen können. Die dabei erzeugten Regelungsvorschläge sollen dabei auf konsistente Umsetzbarkeit über alle Netzwerkebenen hinweg so überprüfbar sein, dass bei Schwierigkeiten in dieser Umsetzung durch erhöhte Genauigkeit in der Modellbeschreibung ein erneutes Lösen mit genaueren Vorgaben auch tatsächlich zu einer besser umsetzbaren Lösung führt. Um dieses Ziel zu erreichen, werden Experten aus Modellreduktion, Regelungstechnik, Optimalsteuerung und Optimierung die neuesten Erkenntnisse aus ihren jeweiligen Fachgebieten kreativ ineinander verweben müssen, um so zu neuen Verfahren zu kommen, die eine verlässliche und stabile Stromversorgung zu günstigen Preisen für die Zukunft sichern hilft.

(Autoren: Prof. Dr. Stefan Streif, Prof. Dr. Christoph Helmberg)

 
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