Quantenrechnen verspricht Optimierung in der Energiewirtschaft E.ON setzt auf Quantencomputing

Von Michael Matzer

Quantencomputing soll im Energiesektor zu optimierten Prozessen und Erkenntnissen führen. Beim Energiekonzern E.ON wird „IBM Quantum System One“ als Cloud Service genutzt, um den Lastausgleich zu optimieren und die eigenen Nachhaltigkeitsziele zu erreichen. IDC lieferte in einem Gespräch dazu passende, aktuelle Zahlen.

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Ein cooler Typ: „Quantum System Q“ von IBM.
Ein cooler Typ: „Quantum System Q“ von IBM.
(Bild: © IBM)

Die Energiewende wird durch die Notwendigkeit, sich von russischen Energiequellen unabhängig zu machen, noch beschleunigt. Aber nicht nur national, sondern auch regional und lokal ändern sich die Rahmenbedingungen für die Erzeugung und den Verbrauch von Energie jeder Art. Die Abkehr von fossilen Energiequellen ist keineswegs unproblematisch, und die Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energiequellen führt zu einer massiven Dezentralisierung der stromführenden Netze, vom Handel mit Strom ganz zu schweigen.

Diese Entwicklung könnte zu unausgeglichener Belastung der Stromnetze und sämtlicher angeschlossenen Infrastruktur führen. Auf dem „Automatisierungstreff 2022“ in Böblingen (DCI berichtete („IT und OT, Sensorik und Aktonik Automatisierungstreff 2022: Kabelbaumexplosion und Digitale Zwillinge“) machten der Vertreter von Mitsubishi Electric deutlich, dass ständig schwankende Stromstärken und -spannungen die Hardware schädigen und vermehrt Defekte auftreten.

Dies nimmt beispielsweise der Energienetzbetreiber E.ON zum Anlass, seine digitale Netzsteuerung lieber früher als später zu optimieren. Eine gewichtige Rolle bei diesem permanenten Optimierungsvorgang soll zukünftig auch das Quantenrechnen spielen.

Optimierung des Energiegeschäfts

Victoria Ossadnik, COO Digital und Mitglied des Vorstandes der E.ON SE, sprach darüber in einer virtuellen Podiumsdiskussion. „Es gibt in der aktuellen Übergangsphase des Energiemarktes zahlreiche Schwankungen, die mit der dezentralen Energie-Erzeugung und der E-Mobilität zusammenhängen, aus denen sich eine geringere Planbarkeit ergibt. Das ist aber negativ für unser Geschäft; denn schließlich betreiben wir Stromnetze und versorgen unsere Kunden mit Energie.“ Da es ja keine Schalter mehr gebe, sondern sehr viele Steuerungen – keineswegs alle – digitalisiert worden seien, sei „alles superkomplex“ geworden.

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Die Komplexität sieht die Managerin als Herausforderung für den Lastausgleich in den Stromnetzen. „Diesen Lastausgleich wollen wir mit Quantenrechnen optimieren.“ Und zwar müsse dies mit sehr hoher Rechengeschwindigkeit erfolgen. Nötig sind dafür nicht riesige Zahlenmengen, sondern ausgefeilte KI-Modelle, die auf Quanten-Algorithmen beruhen.

Diese KI-Modelle bezieht E.ON bereits über den „IBM Quantum Cloud Service“, den IBM schon einige Zeit weltweit anbietet. Big Blue hat weltweit rund 30 Quantenrechner des Modells System One gebaut und vermietet nun deren Nutzung.

Q-Nutzung und Produktplanung

In Deutschland erfolgt dies über die Fraunhofer-Gesellschaft, die bereits ein Preismodell veröffentlicht hat. Dem Preismodell zufolge bekommen Bildungs- und Forschungsinstitute einen beachtlichen Rabatt. Statt über 11.000 Euro/Monat zahlen sie monatlich lediglich rund 9.000 Euro.

IBM bietet der Wirtschaft weltweit einen „Premium Plan“ und einen „Pay-as-you-go-Plan“ an. Beide umfassen Zugang zum aktuellen „Eagle“-Quantum-Chip mit 127 Qubits. Quantum-Software lässt sich mit dem „Qiskit“ Runtime Paket entwickeln.

Das Paket enthält seit 2021 „Quantum Application Modules“, zu denen auch die von E.ON benötigte Optimierung gehört. In diesem Jahr kommen zusammen mit dem „Osprey“-Chip und seinen 433 Qubits die „Dynamic Circuits“ hinzu, die Algorithmen beschleunigen und die Vielfalt der verwendbaren Algorithmen und Modelle erweitern.

2023 wird es dann richtig interessant; denn auf dem „Condor“-Chip mit seinen 1121 Qubits werden ausgefeiltere Optimierungsmodelle für E.ON möglich. Quantum Application Services erlauben die Erstellung komplexer Quantum-Workflows in der Cloud (siehe: Abbildungen 4 und 5) .

Der „Open Plan“ ist kostenlos, doch sein Angebotsspektrum ist im Vergleich zum Premium Plan relativ bescheiden. Der Premium Plan umfasst zudem einen „IBM Quantum Accelerator“, ein Service, in dem personalisierter Support enthalten ist. Auf solche Details der Q-Nutzung ging Ossadnik nicht ein.

Quantum-Rechnen in der Wirtschaft

Heike Riel ist die Leiterin des Bereichs Wissenschaft & Technologie bei IBM und leitet zudem die europäische IBM-Forschung im Bereich Quantum. Sie machte deutlich, dass sich Quantenrechnen weniger für Big Data, sondern vor allem für Machine Learning eignet. Mit Machine Learning werden KI-Modelle erstellt, wie sie etwa E.ON benötigt.

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Quantum helfe, bessere Modelle zu erstellen, die wiederum Daten besser analysieren und interpretieren. „Quantumcomputing ist nicht der Ersatz, sondern die Ergänzung zur bestehenden IT, wie etwa GPUs“, so Riel.

Dafür könnten Quantenrechner Probleme wie die Berechnung von Molekülen lösen. Selbst so vermeintlich simple Moleküle wie Koffein, das ja weltweit in großen Mengen konsumiert wird, können selbst Supercomputer nicht berechnen. Das lässt sich einer Dokumentation auf der IBM-Seite entnehmen.

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Vor diesem Hintergrund ist Riels Äußerung zu verstehen, wenn sie sagte, dass „Batterien beziehungsweise Akkus noch nicht vollständig verstanden worden sind.“ Quantenrechner würden beim Verstehen der chemischen Prozesse in einer Batterie helfen. Dies wird derzeit in einer Studie der Daimler AG zusammen mit IBM erforscht.

Das ist auch der Grund, warum es ausgerechnet das Quantenrechnen sein soll, das einen Beitrag leiste , die CO2-Aufnahme (Resorption/Absorption) zu verbessern, so etwa beim (Kunst-) Dünger. Für dessen Herstellung würden nämlich große Mengen der Weltenergie verbraucht. „Auch die Natur kann solchen Ammoniak herstellen“, so Riel weiter. „Dieser Prozess ist aber ebenfalls unverstanden.“ Auch hier müssen Quantenrechner einspringen.

Energie-Effizienz

Der Befürchtung, Quantenrechner würden Unmengen von Kilowatt verschlingen, widersprach Riel: „Der 'Summit'-Superrechner verbraucht 15 Megawattstunden, der Quantenrechner verbraucht im Labor nur 36 Kilowattstunden.“ Giorgia Cortiana von E.ON resümierte: „Die Energie-Effizienz von Quantenrechnern ist wesentlich besser als die von Supercomputern.“

Rasante Marktentwicklung

Stefano Perini, IDC-Analyst, stützte die Erwartung Ossadniks, dass die Rolle des Quantenrechnens in der Industrie unter anderem in der Lösung von Optimierungsproblemen bestehe. Er sieht Anwendungsfälle in Finanzwirtschaft und Fertigung, ebenso Simulationen und Wettervorhersagen. Er wies darauf hin, dass Quantenrechner nur Annäherungen liefern.

Stefano Perini, Analyst bei IDC
Stefano Perini, Analyst bei IDC
(Bild: © IDC)

Der Umfang des weltweiten Quantenrechenmarktes habe 2020 bei 412 Millionen Dollar gelegen, doch der Gesamtumsatz im Kundengeschäft werde bis 2027 auf 8,6 Milliarden Dollar steigen. Über den Zeitraum 2021-2027 betrage die jährliche Wachstumsrate (CAGR) 50,9 Prozent.

Inbegriffen sind Quantum-Services (QaaS) wie auch stützende und begleitende QaaS-Dienste. Die Investitionen in diesen Markt würden im gleichen Zeitraum 2021 bis 2027 jährlich um 11,3 Prozent steigen und Ende 2027 knapp 16,4 Milliarden Dollar erreichen. Als größte Hürde nannte der Analyst fehlende technische Kenntnisse, die von Ausbildungsinstituten vermittelt werden müssten, denn derzeit seien sie Mangelware.

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