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Werkzeugkasten für die Transformation des Energiesystems Open Source für die globale Energiewende

| Autor / Redakteur: Monika Landgraf * / Ulrike Ostler

Die „Helmholtz Energy Computing Initiative“ (HECI) soll die Kooperation bei der Umsetzung von Klimaschutzmaßnahmen in Energiesystemen erleichtern. Nun stellt die Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) auf einer Internet-Plattform Modellierungs-Tools für die Planung von Kapazitäten für das Erzeugen, Speichern und den Transport von Energie kostenlos und quelloffen zur Verfügung.

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Auf der im Rahmen der Helmholtz-Gemeinschaft entstandenen Plattform der Helmholtz Energy Computing Initiative (HECI) sind Modellierungswerkzeuge für die Energiesystemoptimierung frei verfügbar.
Auf der im Rahmen der Helmholtz-Gemeinschaft entstandenen Plattform der Helmholtz Energy Computing Initiative (HECI) sind Modellierungswerkzeuge für die Energiesystemoptimierung frei verfügbar.
(Bild: © www.kit.edu)

Computermodelle sind für die Energiewende unerlässlich. Ob bei der Planung neuer Stromleitungen und verteilter Kraftwerke oder bei einer Novellierung der Energiemarktregulation – sie helfen dabei, im Rahmen der Energiewende fundierte Entscheidungen zu treffen. Bislang gab es für die Modellierung keine gemeinsamen Standards. Mit der Helmholtz Energy Computing Initiative (HECI), an der sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Helmholtz-Zentren, auch des KIT, beteiligen, präsentiert die HGF nun eine Plattform, auf der erstmals zugangsfreie Benchmarks, skalierbare Methoden, realistische Daten sowie Open-Source-Software für die Projektierung und Optimierung künftiger Energiesysteme bereitstehen:

Professor Holger Hanselka, Vizepräsident für den Forschungsbereich Energie der Helmholtz-Gemeinschaft und Präsident des KIT, sagt: „Mit dieser Initiative stellen wir wertvolle Ressourcen auf dem Weg zu einem sicheren, nachhaltigen und bezahlbaren Energiesystem frei zugänglich zur Verfügung. Wir bekennen uns damit klar zu Open Source und einem transparenten Austausch in der Wissenschaft. Dadurch setzen wir nicht nur globale Standards für die Energiesystemmodellierung, sondern auch für Kooperation und offene Wissenschaft im Sinne der Prinzipien der Helmholtz-Gemeinschaft.“

In der Werkzeugkiste

  • Unter den zahlreichen Angeboten der HECI befindet sich beispielsweise die Software-Toolbox „Python for Power System Analysis“ (PyPSA), mit der moderne Stromversorgungssysteme simuliert und optimiert werden können.
  • Beim Bestimmen von Transformationspfaden des Gesamtsystems hilft das „Framework for Integrated Energy Assessment“ (FINE), eine Software, die speziell dafür entwickelt wurde, sektorübergreifende Energiesysteme zu verbessern.
  • Für die Lösung typischer Optimierungsprobleme beim Ausbau erneuerbarer Energien stehen neu entwickelte Algorithmen wie der „McCormick-based Algorithm for mixed-integer Nonlinear Global Optimization“ (MAiNGO) oder auch das „Time Series Aggregation Module“ (tsam) zur Verfügung.

Neben den Software-Angeboten finden sich auf der HECI-Plattform außerdem Datensätze sowie auch Benchmarks, also fertige Energiesystemmodelle inklusive Daten zur Bewertung von Methoden der Simulation und deren Weiterentwicklung. Ein Zusammenspiel der unterschiedlichen Werkzeuge ermöglicht, optimale Betriebs- und Investitionsentscheidungen in Energiesystemen einzelner Liegenschaften bis hin zu europäischen Übertragungsnetzen zu treffen und dabei gleichzeitig auf eine Erfüllung der Klimaziele von Paris hinzuarbeiten.

Realisiert wurde die HECI-Plattform von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern im Rahmen der gemeinsamen Helmholtz-Initiative „Energie System 2050“. Beteiligt waren neben dem KIT das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Helmholtz-Zentrum Potsdam (GFZ), das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP – assoziiert) sowie das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ).

Kooperation und Austausch in der Energieforschung

Ein offenes und gemeinsames Ökosystem für die Modellierung von Energiesystemen hat viele Vorteile: Da Energiepolitik in hohem Maße kontrovers sein kann, erhöht offene Forschung das Vertrauen der politischen Entscheidungsträger und der Öffentlichkeit in die Ergebnisse der Wissenschaft. Durch die zugangsfreie Verfügbarkeit wird zudem die Redundanz von Forschungsarbeit verringert, sodass Ressourcen effizienter genutzt werden. Außerdem kann auch die Qualität der Forschung selbst profitieren, da Feedback und Fehlerkorrekturen durch zahlreiche Akteure in die weitere Entwicklung des offenen Quellcodes einfließen.

Nicht zuletzt fördert die Open-Source-Bereitstellung auch die Kooperation im Energiebereich auf nationaler und internationaler Ebene. So lassen sich Modelle viel leichter austauschen, wenn sie mit denselben Werkzeugen erstellt wurden, und Software kann zudem einfacher an die eigenen Bedürfnisse angepasst werden. Statt auf teure Trainingseinheiten zurückgreifen zu müssen, können sich Benutzerinnen und Benutzer bei der Anwendung zudem gegenseitig unterstützen.

Bereits heute sind die Modellierungswerkzeuge der Helmholtz-Gemeinschaft etwa bei großen Übertragungsnetzbetreibern in Deutschland im Einsatz. Auch weltweit werden sie von Forschungsinstitutionen, NGOs und Unternehmen verwendet.

* Monika Landgraf arbeitet im Bereich Strategische Entwicklung und Kommunikation des Karlsruher Institut für Technologie.

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