Die Energiewende – weg von fossilen Brennstoffen und hin zu Strom aus erneuerbaren Energien – ist ein ehrgeiziges Projekt. Und dieses Projekt muss flexibel sein, um sich zu jeder Zeit an die sich verändernden Rahmenbedingungen anpassen zu können. Um dynamische Parameter wie Wetter und Stromverbrauch berücksichtigen zu können, braucht es Computermodelle, mit denen sowohl die Kapazitäten als auch die Erzeugung, der Transport und die Speicherung von Energie geplant werden können.
Bislang gab es für eine solche Modellierung keine gemeinsamen Standards. Im Rahmen der Helmholtz Energy Computing Initiative (HECI) haben Wissenschaftler*innen verschiedener Helmholtz-Zentren nun entsprechende Modellierungswerkzeuge, an denen unter anderem Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) mitgewirkt haben, kostenlos und quelloffen auf einer Internetplattform zur Verfügung gestellt. Quelloffen, also Open Source bedeutet, dass die Quelltexte der Software-Programme von Dritten eingesehen, genutzt, geändert und auch weiterentwickelt werden können.
Auf der Plattform finden sich Benchmarks, also fertige Energiesystemmodelle, sowie skalierbare Methoden, Daten und Open-Source-Software-Programme für die Projektierung und Optimierung zukünftiger Energiesysteme. „Mit dieser Initiative stellen wir wertvolle Ressourcen auf dem Weg zu einem sicheren, nachhaltigen und bezahlbaren Energiesystem frei zugänglich zur Verfügung“, erklärt Professor Holger Hanselka in einer Pressemitteilung des KIT. Er ist Vizepräsident für den Forschungsbereich Energie der Helmholtz-Gemeinschaft und Präsident des KIT. „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“, so Hanselka weiter.
Eine Toolbox zum Erreichen der Pariser Klimaziele
Das Ziel hinter den frei verfügbaren Modellierungswerkzeugen ist klar: Mit dem Zusammenspiel der Werkzeuge sollen „optimale Betriebs- und Investitionsentscheidungen in Energiesystemen einzelner Liegenschaften bis hin zu europäischen Übertragungsnetzen“ getroffen werden können, so die Meldung des KIT. Außerdem soll mit der Plattform auf eine Erfüllung der Klimaziele von Paris hingearbeitet werden.
Neben einer Software-Toolbox namens „Python for Power System Analysis“ (PYPSA), mit der moderne Stromversorgungssysteme simuliert und verbessert werden können, gibt es beispielsweise noch das „Framework for Integrated Energy Assessment“ (FINE). Diese Software soll dabei helfen, die Transformationspfade von Gesamtsystemen zu bestimmen und sektorübergreifend Energiesysteme verbessern. Andere Werkzeuge arbeiten mit Algorithmen. So zum Beispiel der Algorithmus „McCromick-based Algorithm for mixed-integer Nonlinear Global Optimization“ (MAiNGO) oder das „Time Series Aggregation Module“ (tsam). Mit diesen soll die Lösung typischer Optimierungsprobleme beim Ausbau von erneuerbaren Energien erleichtert werden.
Die HECI-Plattform wurde von Wissenschaftler*innen im Rahmen der gemeinsamen Helmholtz-Initiative „Energie System 2050“ realisiert. Neben Forschenden des KIT waren auch Wissenschaftler*innen des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Forschungszentrum Jülich (FZJ), dem Helmholtz-Zentrum Potsdam (GFZ), dem Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), dem Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dem Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP – assoziiert) sowie dem Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) beteiligt.
Die offen zugängliche Plattform soll das Vertrauen politischer Entscheidungsträger*innen und der Öffentlichkeit in die Forschung vergrößern. Gerade mit Blick auf die oftmals kontrovers geführte Diskussion über die genaue Umsetzung der Energiewende habe ein offenes und gemeinsames Ökosystem für die Modellierung von Energiesystemen viele Vorteile, so das KIT. Durch den offenen Zugang zu den Modellierungswerkzeugen sollen außerdem die Redundanz von Forschungsarbeit verringert und Ressourcen effizienter genutzt werden können.
Durch die Bereitstellung quelloffener Software will die Energy Computing Initiative Kooperation und Zusammenarbeit im Energiebereich fördern. Bereits jetzt werden die Modellierungswerkzeuge der Helmholtz-Gemeinschaft sowohl von großen Übertragungsnetzbetreibern in Deutschland als auch von Forschungsinstitutionen, NGOs und Unternehmen weltweit verwendet.
