Konzepte für sichere Energiesysteme

Der Anteil erneuerbarer Quellen an der Stromerzeugung steigt immer weiter – bundesweit auf zuletzt 38 Prozent im Jahr 2017. Welche Herausforderungen dieser Teil der Energiewende mit sich bringt, erforschen Informatiker der Universität Oldenburg innerhalb eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) ins Leben gerufenen Schwerpunktprogramms. Das Team um Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff von der Abteilung Energieinformatik ist an drei Projekten des interdisziplinären Programms beteiligt.  Sie werden mit jeweils knapp 300.000 Euro gefördert und sind kürzlich gestartet.

Lehnhoff und seine Kollegen untersuchen mehrere Aspekte der Umstellung auf das in Zukunft komplexere Stromnetz. „Um die schwankende Leistung erneuerbarer Energiequellen auszugleichen, muss das Stromnetz beispielsweise mit Pufferkapazitäten, aber auch mit dem Wärme- und dem Gasnetz gekoppelt werden“, berichtet der Informatiker. Fachleute nennen diese neuen, vielfältigeren Lebensadern der Energieversorgung „multimodale Netze“. Weil darin neben Wechselstrom zunehmend auch Gleichstrom eine Rolle spielt, werden die Netze zusätzlich auch als „hybrid“ bezeichnet.

Eins der drei Projekte mit Oldenburger Beteiligung beschäftigt sich damit, wie sich die zahlreichen regenerativen Stromquellen – etwa Photovoltaik-Anlagen, Windturbinen oder Blockheizkraftwerke – am besten koordinieren lassen. Zur Steuerung setzen Lehnhoff und seine Kollegen von der Universität Hannover auf ein so genanntes Multiagentensystem. Das ist eine Software, die ähnlich funktioniert wie ein Ameisenstaat: Dabei agieren lokale Steuereinheiten unabhängig voneinander. Sie sorgen beispielsweise dafür, dass die Spannung in einem Bereich des Netzes im erlaubten Rahmen bleibt, ohne dass eine zentrale Stelle das gesamte System überwacht. „Dadurch entstehen automatisch Redundanzen, die das System robuster und weniger fehleranfällig machen“, sagt Lehnhoff.

Im zweiten Teilprojekt untersuchen die Oldenburger Forscher zusammen mit Kollegen von der TU Dortmund die Risiken, die sich durch die Abhängigkeit des Stromnetzes von der Informations- und Kommunikationstechnik ergeben. Sie wollen ein Modell entwickeln, das die sicherheitskritischen Punkte der multimodalen Netze aufspürt und bewertet. So will das Team etwa herausfinden, ob sich Ausfälle kaskadenartig über verschiedene Bereiche ausbreiten können, etwa vom elektrischen Netz über das Telekommunikationsnetz ins Wärme- und Gasnetz. „Im letzten Schritt soll eine Risikoanalyse entstehen, um die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten kritischer Ereignisse zu identifizieren“, berichtet Lehnhoff.

Das dritte Teilprojekt beschäftigt sich mit dem so genannten Schwarzstart – also dem Fall, dass das Netz nach einem großräumigen Stromausfall wieder neu gestartet werden muss. Hierbei arbeiten die Oldenburger Energieinformatiker mit der Universität Passau zusammen. „Ein Schwarzstart erfordert die sorgfältige Koordination zwischen den IT-Systemen und dem elektrischen Energiesystem“, erläutert Lehnhoff. Ein klassischer Schwarzstart in einem großen Kraftwerk beginnt mit einer Batterie, die die Steuerung für einen kleinen Dieselgenerator in Gang bringt, der wiederum eine Gasturbine startet. Häufig werden auch Wasserkraftwerke eingesetzt, deren Turbinen ohne Strom in Bewegung versetzt werden können.

In Zukunft wird die Aufgabe jedoch komplexer: Um das Stromnetz stabil wieder aufzubauen, müssen viele dezentrale Erzeuger und Verbraucher koordiniert werden. Das Problem: Um solche „Smart Grids“ nach einem Ausfall in Gang zu bringen, ist moderne Informations- und Kommunikationstechnologie nötig – die aber selbst hohe Anforderungen an die Netzstabilität stellt. „Im Falle eines großräumigen Systemausfalls müssen IT und elektrisches Netz parallel wiederaufgebaut und hochgefahren werden, wobei die beiden Systeme dynamisch miteinander wechselwirken“, berichtet Lehnhoff. Dieses „mehrkriterielle Optimierungsproblem“ will der Informatiker innerhalb des DFG-Projektes lösen.

Das DFG-Schwerpunktprogramm mit dem Titel „Hybride und multimodale Energiesysteme: Systemtheoretische Methoden für die Transformation und den Betrieb komplexer Netze“ läuft über sechs Jahre und beinhaltet 16 Teilprojekte. Die erste, dreijährige Förderphase hat soeben begonnen. Sebastian Lehnhoff ist eins von vier Mitgliedern im Programmausschuss des Gesamtprojektes.