Foto: Siemens AG

Modell der Zukunft

Bei Siemens Corporate Technology werden die Versorgungssysteme der Zukunft modelliert.

Bereits seit einigen Jahren ist klar, dass sich die Energiesysteme weltweit fundamental verändern. Der verstärkte Zubau von Solaranlagen und Windturbinen sowie die Digitalisierung von Stromnetzen lassen das Gesamtsystem zunehmend dezentral und komplex werden. Während die installierte Leistung erneuerbarer Energien täglich steigt, sinken die Preise für Wind- und Sonnenstrom zusehends. Die magische Grenze von 2 US-Cent pro Kilowattstunde hat der PV-Preis bereits unterschritten. Damit sind erneuerbare Energien derart billig geworden, dass sie in allen Bereichen attraktiv sind, selbst dort, wo Industrien heute noch gänzlich auf fossile Energieträger setzen.

Genau das steigert die Unsicherheit von Regierungen, Netzbetreibern und Investoren: Der Energiesektor, der sich jahrzehntelang sehr beständig und planbar entwickelt hat, erlebt fundamentale und teils disruptive Veränderungen. Diese zu bewerten und tragfähige Entscheidungen, etwa zur Ertüchtigung der Netze, zu treffen, ist eine der zentralen Herausforderungen der Versorgungsbranche – zumal gerade in Deutschland die Entwicklung der regulatorischen Rahmenbedingungen eben erst begonnen hat und die politische Diskussion um verbindliche Klimaziele noch nicht zu Ende geführt wurde. Unzählige Fragen stehen im Raum. Wie können wir Systemstabilität und Versorgungssicherheit garantieren, wenn der Anteil Erneuerbarer weiter steigt? Welchen spezifischen Technologiemix brauchen bestimmte Regionen in Zukunft? Wie lassen sich die Kosten des Gesamtsystems optimieren? Wie verändern sich heutige Geschäftsmodelle und womit ist künftig in einer digitalisierten Energiewelt Geld zu verdienen?

Digitales Abbild künftiger Energiesysteme

Forscher bei Siemens Corporate Technology wollen antizipieren, wie das künftige Gesamtsystem aussehen und funktionieren kann und welche Konsequenzen dieser Wandel für die unterschiedlichen Akteure haben wird. Dazu arbeiten Sie an einem digitalen Abbild der Energiesysteme und -märkte der Zukunft und modellieren mithilfe von großen Datenmengen und komplexer Algorithmen einen sogenannten Digitalen Zwilling. Das Besondere: Die Berechnung ist multimodal, berücksichtigt also sämtliche Sektoren von Strom über Wärme und Kälte bis hin zu Transport und Mobilität.

„Ziel ist es, die Entscheidungsfindung der unterschiedlichen Akteure zu unterstützen und aufzuzeigen, wie sie die Energiewende in ihrer Region kostenoptimal umsetzen können“, erläutert Dr. Hans Jörg Heger, Leiter von Energy System Modeling bei Siemens Corporate Technology. „Natürlich gibt es keine Glaskugel, durch die man in die Energiezukunft schauen kann“, so der Wissenschaftler weiter. Vielmehr arbeiten die Siemens-Forscher mit Wenn-Dann-Szenarien und simulieren mögliche Entwicklungen unter unterschiedlichen Annahmen. Damit lassen sich nicht nur Konsequenzen aus konkreten Ereignissen aufzeigen, die beispielsweise einem Netzbetreiber nützen können, geplante Investitionen zu bewerten. Dr. Hans Jörg Heger: „Anhand des Digitalen Zwillings können wir im Prinzip aufzeigen, wie sich das Gesamtsystem in einer Region ändern muss, damit am Ende Klima- und Kostenziele erreicht werden.“

Spannend sei der Blick in die Zukunft auch, weil sich schon heute abzeichnet, dass sich neben Technologien auch traditionelle Geschäftsmodelle fundamental verändern. Dementsprechend spielt auch die Frage, womit Versorger und Kraftwerksbetreiber künftig Geld verdienen werden, bei der Simulation eine wichtige Rolle.

Das deutsche Energiesystem als Beispiel

Welchen Nutzen die Simulation von Energiesystemen bringt, haben die Siemens-Forscher bereits am Beispiel Deutschland gezeigt. Im Forschungsprojekt „Energy System Development Plan“ (ESDP) haben sie gemeinsam mit Experten der RWTH Aachen die kompletten deutschen Energieversorgungsstrukturen der Zukunft in komplexen Simulationsmodellen dargestellt.

Voraussetzung für solche Simulationen und die digitale Abbildung von Energiesystemen ist die Verfügbarkeit von konsistenten Daten. Im Fall von Deutschland lagen mannigfache Eingangsdaten vor, von Zahlen des Statistischen Bundesamtes zu Einwohnern und Einwohnerdichte über Informationen zu Branchen und deren Energiebedarf bis hin zu technischen Einzeldaten von Kraftwerken. So entstand eine beeindruckende Datenbank, in der sich etwa 20 Millionen Gebäudeeinträge, rund zwei Millionen für Gewerbe und Betriebe sowie 60.000 Einzeldatensätze für Industriebetriebe mit stündlichen Strom- und Wärmelastprofilen ansammelten. Auf Basis dieser Daten haben die Wissenschaftler von Siemens und der RWTH mit ausgeklügelten Algorithmen verschiedene Szenarien für das künftige deutsche Energiesystem simuliert. Indem sie die Einzelerzeuger in 360 virtuellen Kraftwerken, sogenannten Energiezellen, zusammengeschlossen haben, konnten sie das deutsche Energiesystem der Zukunft bis auf die Ebene der Postleitzahl und Gemeinde abbilden, sodass sie teilweise einzelne Straßenzüge darstellen konnten.

Die Erkenntnis: Grundstein für die deutsche Energiewende ist die flexible Stromerzeugung mit Gaskraftwerken in Kombination mit dem kontinuierlichen Ausbau von erneuerbaren Energien. Schon heute erlaubt die Kopplung von Strom und Wärme sowie die Elektrifizierung der Wärme eine starke Kostenminimierung. Künftig wird die Kopplung von Strom und Verkehr das bestimmende Thema schlechthin werden.

Weltweite Anwendung

Der Wandel von Energiesystemen spielt im Nahen und Mittleren Osten eine besondere Rolle. Hier trifft ein stark steigender Energiebedarf auf schnell wachsende Kapazitäten erneuerbarer Energien. Im Bild die Siemens-Windturbinen in Tarfaya, Marokko. Foto: Siemens AG

Natürlich soll das Modell weltweit funktionieren. Dr. Hans Jörg Heger führt aus: „Die Herausforderung besteht jedoch gerade darin, dass mit der Dezentralisierung der Energieproduktion auch die regionalen Unterschiede stärker ins Gewicht fallen als bisher.“ Derzeit arbeitet das Siemens-Team daran, erste Energiesysteme von Staaten des Nahen und Mittleren Ostens zu analysieren. Die meisten dieser Länder haben bisher konsequent auf fossile Energieträger gesetzt, denn noch vor wenigen Jahren war Strom aus Erneuerbaren im Nahen und Mittleren Osten teurer als Gas und Öl zu verbrennen – jetzt ist es umgekehrt.

Laut der International Renewable Energy Agency (IRENA) stieg 2016 die Gesamtkapazität der Windturbinen in der Region von 81 MW 2007 auf 322 MW. Unvergleichbar größer war das Wachstum der Photovoltaik. 2007 verfügten die Länder des Nahen und Mittleren Ostens über gerade mal 2 MW installierte PV-Leistung. Neun Jahre später waren es sagenhafte 1.377 MW, also eine Steigerung um fast das 700-fache. Sinnbildlich ist einer der weltweit größten Solar Parks, Mohammad Bin Rashid Al Maktoum, in Dubai. Im Jahr 2020 wird die dritte Ausbauphase mit einer Kapazität von 800 MW fertiggestellt sein, bis zum Jahr 2030 soll der Solarpark gar auf 5.000 MW anwachsen.

Gleichzeitig sind erneuerbare Energien in der Region so günstig wie nie. Und der Hunger nach Energie wird immer größer. Noch 1990 wiesen die Zahlen der International Energy Agency für die Region 205 TWh Stromverbrauch im Nahen und Mittleren Osten aus, 2014 waren es bereits 875 TWh. Dem BP Energy Outlook nach könnte der Energieverbrauch der Region von 2016 bis 2035 um weitere 60 Prozent ansteigen.

Die Ausgangssituation ist dort also etwas anders als in Deutschland. Während im Vorreiterland der Energiewende der Anteil erneuerbarer Energien bereits bei einem Drittel der Bruttostromerzeugung liegt, ist er im Nahen und Mittleren Osten derzeit erst ganz am Anfang. Genau das erhöht das Bedürfnis von Unternehmen und Regierungen, Orientierung zu finden bei der Frage, wie der weitere Wandel aussieht und wie er sich erfolgreich vollziehen lässt. Antworten könnte der Digitale Zwilling von Energiesystemen liefern, der eine detaillierte multimodale Betrachtung ermöglicht – und damit einen Schlüssel liefern kann, um die Dekarbonisierung aller Sektoren und die weltweite Energiewende voranzubringen.

Kontakt: Siemens AG Corporate Technology, Dr. Ulrich Kreutzer, 81739 München, ulrich.kreutzer@siemens.com

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