KOSiNeK - was ist denn das?

Systemanalyse will Stromversorgung voraussagen
nach Quelle: Cluster Energietechnik/Bildtext, 05. Dezember 2017

 
Prof. Dr. Marco Pruckner, Juniorprofessor für Energieinformatik am Lehrstuhl Informatik 7 der FAU Erlangen-Nürnberg.
Bildquelle: Heinz Wraneschitz
Redaktionsbüro bildtext.de

 Die Stromversorgung in Deutschland, Europa, in der Welt verändert sich rasant. Die Erneuerbaren Energien, verdrängen immer mehr „konventionelle“ Kraftwerke. Hierzulande sollen besonders Wind und Sonne möglichst komplett jenen Strom ersetzen, der bislang in nach und nach abzuschaltenden Kernkraft- oder Kohlekraftwerken erzeugt wird. Speicher oder Gaskraftwerke sollen die nicht gleichmäßige, „fluktuierende“ Ökostromproduktion ausgleichen.

Wie sich das Stromversorgungssystem letztendlich entwickeln wird, darüber gibt es unterschiedlichste Meinungen. Das Schlagwort „Systemanalyse“ steht für die Planungshilfe, mit der Politik und Energiewirtschaft in die Zukunft schauen wollen. Die Bundesregierung hat dafür ein eigenes Forschungsnetzwerk auf die Beine gestellt. Auch Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität (FAU) Erlangen-Nürnberg sind darin eingebunden.
Seit gut einem Jahr arbeiten Wissenschaftler der FAU interdisziplinär in der 3. Phase einer Energiesystemanalyse für Deutschland und seine angrenzende Länder. Das Kürzel KOSiNeK steht für „Kombinierte Optimierung, Simulation und Netzanalyse des elektrischen Energiesystems Deutschlands im europäischen Kontext“. Beteiligt sind drei Lehrstühle: Der Lehrstuhl für Wirtschaftsmathematik ist für „Optimierung“ zuständig. Jener für Elektrische Energiesysteme bearbeitet die „Netzanalyse“. Und in den Händen von Informatik 7 liegen Projektkoordination und das Teilprojekt „Simulation“.
In den Phasen 1 und 2 entstanden Rechenmodelle für Bayern und die Bundesrepublik. Auf diese Ergebnisse baut Projektphase 3 auf, welche vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie finanziert wird. Noch bis September 2019. Die Idee für dieses Projekt hatte Dr.-Ing. Klaus Hassmann, einer der Sprecher des Clusters „Energietechnik“ bei Bayern Innovativ.
Bayern Innovativ koordiniert auch den Projektbeirat, in dem Industriefirmen, Stromnetzbetreiber, Versorger sowie das Bayerische Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energien und Technologie mitarbeiten.
Wir sprachen mit Prof. Dr.-Ing. Marco Pruckner. Er ist Juniorprofessor für Energieinformatik am Lehrstuhl Informatik 7 der FAU und zuständig für das KOSiNeK-Teilprojekt „Simulation“.

WRA: Herr Prof. Pruckner, was ist das Neue an KOSiNeK, was unterscheidet es von bisherigen Systemanalysen?
Prof. Pruckner: Das Energiesystem wird immer komplexer: Zum Kraftwerkspark mit über 600 konventionellen Anlagen kommen zigtausend mit Erneuerbaren Energien. Das können gängige Methoden nur schwer lösen. In unserem ganzheitlich systemorientierten Ansatz bei KOSiNeK kombinieren wir Methoden aus Mathematik, Informatik und elektrischen Netzanalyse. Das ist unser Alleinstellungsmerkmal. Natürlich können auch wir marktregulatorische und rechtliche Rahmenbedingungen nicht übergehen. Dafür haben wir den von Bayern Innovativ koordinierten Projektbeirat, der uns nicht nur hier unterstützt.

WRA: Können Sie uns dafür ein paar Beispiele nennen?
Prof. Pruckner: Man muss Annahmen treffen für den Kraftwerkspark, die Erneuerbaren, über Speicher oder E-Mobilität und Wärmepumpen. Schwierig wird es mit den Lebenszeiten von Kraftwerken. Je nach Typ sind das offiziell 40 bis 45 Jahre. Aber die Liste der Bundesnetzagentur zeigt Kohlekraftwerke, die sind schon über 50 Jahre am Netz.

WRA: Wie haben Sie das Problem gelöst?
Prof. Pruckner: Grundsätzlich haben wir vier Leitszenarien für Erneuerbare Energien definiert. Die kombinieren wir dann in einem Referenzszenario, sowie in einer  pessimistischen und einer optimistischen Variante. Und wir rechnen dazu jeweils Optimierung, Simulation und Netzanalyse.

WRA: Was steht fest, was ist variabel?
Prof. Pruckner: Fest steht die Ausgangslage. Die Eingabeparameter, also beispielsweise wenn sich wegen neuer gesetzlicher Vorgaben andere Ausbaukapazitäten ergeben, können jederzeit geändert werden. Unser Modell bildet die Realität bestmöglich ab. Schwierig würde es nur, wenn der ganze Markt, die gesamte Logik angepasst werden müsste. Kein Problem ist dagegen, Preise für Brennstoff oder CO2-Zertifikate zu verändern.

WRA: Das klingt sehr komplex. Wie lange dauert dafür ein Rechenvorgang?
Prof. Pruckner: Die Simulation über einen 15-Jahres-Zeitraum dauert auf einem normalen PC bisher etwa eine halbe Stunde. Weil wir angrenzende Länder mit betrachten und die Modelllogik weiterentwickeln, wird die Laufzeit in Zukunft etwas zunehmen. Wenn ich die Optimierung über 15 Jahre rechne, wird es aufgrund der Vielzahl an Variablen jedoch komplexer, es dauert also länger.

WRA: Welche Daten sind dafür notwendig?
Prof. Pruckner: Unser Anspruch ist ganz allgemein, Aussagen zur Entwicklung des deutschen Energiesystems im europäischen Kontext zu treffen. Dazu bedarf es einer genauen Datenbasis innerhalb Deutschlands. Nur so können beispielsweise regionale Unterschiede in der PV- und Winderzeugung berücksichtigt werden. Darüber hinaus wollen wir auch sagen können, welcher Zubau an welchem Ort gesamtwirtschaftlich Sinn macht – PV oder Wind? Der Clou dabei: Die Teilprojekte Optimierung, Simulation und Netzanalyse sind iterativ gekoppelt. Sie bekommen Aussagen zu Netzgruppen genauso wie zu Regelzonen. Allein 20 Netzgruppen der Übertragungsnetze sind in Optimierung und Simulation berücksichtigt, unser AC-Netzmodell der 380- und 220-kV-Ebene ist netzknotenscharf.In der Simulation kann ich sehr ins Detail gehen mit Viertelstunden-Einspeise- und –Lastreihen oder blockscharfem Kraftwerkseinsatz. Wir wollen die Eintrittswahrscheinlichkeit von Problemen, notwendige Netzkapazitäten und Nutzungsdauern voraussagen.

WRA: Geht’s bitte etwas konkreter?
Prof. Pruckner: Im Optimierungsmodell wollen wir Aussagen treffen, welche Leistungen in welchem Moment notwendig sind, was also gesamtwirtschaftlich sinnvoll zugebaut werden sollte. Welche Last wird nicht gedeckt durch die Bereitstellung aus Sonne, Wind, Biomasse? In der Simulation können wir sagen: Ein neues Gaskraftwerk in Bayern – ist es überhaupt wirtschaftlich? Was müsste ich für Maßnahmen ergreifen, damit sich das Gaskraftwerk rechnet? Ich nenne mal einen höheren CO2-Zertifikatspreis oder die Einführung des Kapazitätsmarkts. Heraus bekommen wir die möglichen Betriebsstunden der Gasturbine. Was wir auch erfahren können: Wird der Bedarf an Redispatch (die kurzfristige Änderung des Kraftwerkseinsatzes durch Übertragungsnetzbetreiber, um Netzengpässe zu vermeiden; d.Red.) steigen und in welcher Form? Oder: Wie wirkt sich der Ausbau Erneuerbarer Energien auf die CO2-Bilanz aus? Wenn wir die Entwicklung bis 2030 berechnen, können wir auch jedes Jahr dazwischen betrachten. Dabei wird der Kohleausstieg gleich mit simuliert, also das Abschalten von Braunkohlekraftwerken je nach Laufzeit.

WRA: Die Projektlaufzeit endet 2019. Kommen die Ergebnisse dann nicht viel zu spät? Können die überhaupt noch in die seit 2011 unter dem Motto „Energiewende“ laufende Übertragungsnetz-Planung Deutschlands und Europas einfließen?
Prof. Pruckner: Nein, es ist definitiv nicht zu spät. Ohnehin geht es nicht nur um die Netzplanung, sondern darum, wie die Energie insgesamt zur Verfügung gestellt wird. Außerdem ist es ein iterativer Prozess: Die Ergebnisse werden wir nach und nach veröffentlichen. Mit ersten Resultaten kann man 2018 rechnen. Danach können wir im Detail immer wieder neu und genauer rechnen. Ohnehin ist die Energieversorgung eine langfristige Entwicklung, wir kommen also bestimmt nicht zu spät mit KOSiNeK. Und noch ein Hinweis: Auch wenn wir uns konkret um den Strom kümmern, spielt auch das Stichwort Sektorkopplung sehr wohl eine Rolle. Power-to-Gas oder Wasserstoff als Speicher können wir abbilden, das haben wir sehr wohl auf dem Schirm. Wir können beispielsweise wärmegeführte Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen berücksichtigen. Sektorkopplung ist zwar nicht der Schwerpunkt von KOSiNeK, ist aber in der Datenaufbereitung berücksichtigt.

WRA: Letzte Frage: Wer kann am Ende dieses Tool oder zumindest die Rechenergebnisse nutzen?
Prof. Pruckner: Als Uni haben wir grundsätzlich zuvorderst das Ziel, die Ergebnisse zu veröffentlichen. Wir werden diese natürlich Landes- und Bundesstellen zur Verfügung stellen, als entscheidungsunterstützende Hilfsmittel gewissermaßen. Wir können sie aber noch nicht allgemein zur Verfügung stellen. Denn gegenwärtig verwenden die Modelle lizenzpflichtige Software-Werkzeuge und enthalten auch lizenzierte Daten. Aber auf Anfrage sind wir gerne bereit, weitere Szenarien zu rechnen oder mit dem Modell ganz neue Fragestellungen anzugehen.

Heinz Wraneschitz

Weitere Informationen zum Projekt Systemanalyse KOSiNeK sowie den Vorgängerprojekten finden Sie unter:
http://www.bayern-innovativ.de/cluster-energietechnik/systemanalyse_bayern

 

Falls Sie Interesse an einer Veröffentlichung des Interviews in Ihren Medien haben sollten, wenden Sie sich bitte an den Cluster Energietechnik:

Katrin Schiller
schiller@bayern-innovativ.de