Automatisierte Netzplanung, -modellierung und -simulation

Der Ausbau erneuerbarer Energieanlagen im Zuge der Energiewende erhöht die Komplexität der deutschen Stromnetze enorm, daher ist eine Digitalisierung der Netze heutzutage auch für kleinere Verteilnetzbetreiber nicht mehr wegzudenken. Hierfür stehen eine Reihe von kostenlosen -und -pflichtigen Netzberechnungsprogrammen wie z. B. PowerFactory, SINCAL und Open Modelica zur Verfügung mit Hilfe derer die Netze nicht nur visualisiert werden können, sondern für fundierte Netzanalysen verwendet werden können. Durch Georefernzierung ist es möglich Standortgenaue Wetterdaten für die Wind- und PV-Einspeisung im Netzmodell zu hinterlegen. Über eine Schnittstelle zu Programmiersprachen wie Python können die Netzberechnungen und anschließenden Analysen automasiert durchgeführt und die Ergebnisse für die Speicherung und/oder weitere Verarbeitung in Datenbanken exportiert werden.

Das Forschungslabor FENES konnte im Rahmen von Forschungsprojekten Expertise im Bereich der Netzmodellierung- und simulation aufbauen. In enger Zusammenarbeit mit Verteil- und Übertragungsnetzbetreibern wurden und werden sowohl Ist-Zustände von realen Netzen modelliert als auch Prognosenetzmodelle für z. B. den Ausbau von EE-Anlagen oder dem Kohleausstieg erstellt. Über eigens entwickelte Profilgeneratoren kann das zeitliche Lastverhalten von Haushalten,das Ladeverhalten von Elektroautos und der Stromverbrauch von Wärmepumpen modelliert werden.

Mit dem Ziel, die elektrische Energieversorgung in Deutschland bis 2045 klimaneutral zu gestalten, gehen komplexe Netzsituationen einher. Bisherige Planungsgrundlagen in den Verteilnetzen müssen hinterfragt werden, vor allem mit Blick auf die Dezentralisierung der Erzeugungsstrukturen durch Photovoltaik- und Windkraftanlagen sowie der verstärkten Sektorenkopplung durch E-Mobilität und Wärmepumpen. Aber wie sieht die Planung der Stromnetze für die zukünftigen Herausforderungen aus? Welche Maßnahmen sollen für potenzielle Engpässe berücksichtigt werden? Ist die Einbettung von intelligenten Systemen die richtige Antwort oder doch der klassische Netzausbau? Und wie können diese Sachverhalte trotz eines Fachkräftemangels und einem erhöhten Aufgabenportfolio schnell und effizient abgehandelt werden? Diese und weitere Fragestellungen untersuchen Prof. Dr.-Ing. Oliver Brückl und sein Team an der Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher seit gut 10 Jahren.

Mit den erhöhten Anforderungen an die Netzplanung in der Verteilnetzebene wird die Digitalisierung von Netzstruktur-, Verbrauchs- und Erzeugungsdaten unabdingbar, vor allem weil auch die Ausprägungen der Netzgebiete stark unterschiedlich sein können. Ein Hilfsmittel, welches sich immer mehr auch bei kleineren Verteilnetzbetreibern etabliert, sind Modelle ihrer Netzgebiete mit Hilfe von Geoinformationssystemen (GIS). Um weiterführende Simulationen und für die Netzplanung relevante Berechnungen softwaregestützt durchführen zu können, bedarf es eines digitalen Zwillings in einer professionellen Netzberechnungsumgebung. Deshalb entwickelt die Forschergruppe einen Konverter, mit dem georeferenzierte Netzdaten automatisiert in ein Netzberechnungsprogramm überführt werden können. Dies ermöglicht große Netzgebiete zu modellieren bzw. zu aktualisieren, z.B. das Verteilnetz (Mittelspannungs- und Niederspannungsebene mit der entsprechenden Umspannebene) eines ganzen Stadtwerks. Gleichzeitig werden Informationen zu Betriebsmitteln, z.B. Leitungen und Transformatoren, sowie zum elektrischen Verhalten von Erzeugern und Verbrauchern in einer hohen Detailstufe hinterlegt und ermöglicht damit Jahressimulationen in 15-minütiger Auflösung.

Die Möglichkeiten zur Problemlösung von Netzengpässen sowie die Verteilnetze selbst sind teils so divers, dass eine individuelle Betrachtung unabdingbar ist. Gleichzeitig ist es aufgrund von Unsicherheitsfaktoren und äußeren Randbedingungen, z.B. Lieferengpässe oder Verzögerungen von Bauvorhaben, nicht sinnvoll, eine einzige, optimale Lösung für die Gestaltung des zukünftigen Designs des Stromnetzes anzugeben. Deshalb wurde früh die Entscheidung getroffen, ein Entscheidungsunterstützungssystem zu entwickeln, um Netzplanern mehrere, optimierte Vorschläge für die Ertüchtigung des Stromnetzes auf Basis eines zukünftigen Entwicklungsszenarios zu präsentieren. Zusammen mit den Netzplanungskosten kann der Planer im Detail die errechneten Zielnetze und durchgeführten Maßnahmen analysieren und dann die für sein Netz beste Lösung auswählen, abhängig von den aktuellen Umständen. Die Softwarekomponenten werden in einem Zielnetzplanungsprozess zusammengeführt und ermöglichen durch den hohen Automatisierungsgrad die Untersuchung mehrerer Szenarien für die zukünftige Entwicklung der Erzeugungs- und Verbraucherlandschaft, um auf Basis der Ergebnisse Strategien zu entwickeln und fundierte Entscheidungen zu treffen.