Energiewende – Paradigmenwechsel und Digitalisierung

Moderne Prognosemethoden für Energiegewinnung und -verbrauch

© Kartenmaterial: Stadt Freiburg i. Br. – Vermessungsamt, „dl-de/by-2-0“, www.govdata.de/dl-de/by-2-0, Bearbeitung und Animation: Fraunhofer ISE

Im Energiesystem der Zukunft wird durch die Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr das Zusammenspiel einzelner Technologien komplexer und ein hochaufgelöster Überblick zur Energiebereitstellung und -nutzung daher immer wichtiger. Das Fraunhofer ISE arbeitet im Rahmen seiner zahlreichen Digitalisierungsprojekte daher unter anderem daran, moderne Prognosemethoden für Energiegewinnung und -verbrauch sowie anwenderfreundliche Steuerungswerkzeuge zu entwickeln.

»Die Energiewende – smart und digital«, so titelte die jüngste Jahrestagung des Forschungsverbunds Erneuerbare Energien FVEE. Dort diskutierten Deutschlands außer­universitäre Forschungs­einrichtungen für erneuerbare Energien die vielen Facetten und Potenziale der als »Enabler« und gleichzeitig auch »Treiber« der Energie­wende bezeichneten Digitalisierung. Sie spielt eine Schlüsselrolle bei der Lösungs­findung für Dezentralisierung und Flexibilisierung sowie für die effiziente Nutzung von Energie und Ressourcen.

Dimensionen der Digitalisierung

Digitalisierung: Aktuelle FuE-Aktivitäten am Fraunhofer ISE

Digitalisierung ist ein wesentlicher Bestandteil unserer Forschungsarbeit - über alle Themengebiete hinweg.

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Photovoltaische Module und Kraftwerke

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Energieeffiziente Gebäude

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Solarthermische Kraftwerke und Industrieprozesse

Aufgrund der volatilen Stromerzeugung durch Photovoltaik und Wind bringt die Umsetzung der Energiewende einen Paradigmenwechsel des Versorgungsmodells mit sich. So wird die bedarfsgerechte Energiebereitstellung durch Großkraftwerke ersetzt durch ein System, in dem fortwährend ein Ausgleich erfolgt zwischen Bereitstellung und Nutzung durch ein komplexes Zusammenspiel aus zeitlich angepasster Energieerzeugung, der stärkeren Kopplung der Sektoren Strom, Wärme und Verkehr, dem temporären Einsatz flexibler Erzeugungsanlagen und von Speichern. Die Einbeziehung moderner Prognosemethoden für Erzeugung und Verbrauch ergänzt Organisation und Management dieses komplexer werdenden Systems. All dies ist schwer vorstellbar ohne die umfangreiche Nutzung von Techniken und Methoden der Digitalisierung.

Digitalisierung ist der »Enabler«, wenn es um die Beherrschung des komplexen Systems und des komplexen Zusammenspiels einer Vielzahl von technischen Komponenten im System und Beteiligten im Markt geht. Sie macht die effiziente, intelligente Nutzung von Infrastruktur und Hardware möglich. Digitalisierung ist der »Treiber«, wenn es darum geht, neue technische Möglichkeiten in die Anwendung zu bringen, neue Services zu bieten und neue Geschäftsmodelle zu eröffnen. Methoden und Anwendungsfelder für Digitalisierung erstrecken sich über alle Bereiche der Energieversorgung, von der Erzeugung über Netze, Handel und Vertrieb bis hin zu Verbrauch und Produktion. Auch in der Energieforschung spielt die Digitalisierung eine zunehmend wichtige Rolle. Eine Basistechnologie für die Digitalisierung ist die Leistungselektronik. Das Smart Grid erfordert vernetzte Wechselrichtersysteme. Smarte Wechselrichter werden zu Schlüsselelementen des zukünftigen elektrischen Energiesystems. Sie gleichen Strukturveränderungen im Stromnetz durch ein integrales Netzengpassmanagement aus. Kommunikation ist erforderlich für Netz, Markt und Anlagenbetrieb. So fragt ein zunehmend dezentrales Netzmanagement nach neuen Systemdienstleistungen für den Netzbetrieb. Simulation, Auslegung und Qualitätssicherung von dezentralen PV-Batterie-Inselnetzen basieren auf Digitalisierung. Batteriesysteme werden über smarte Wechselrichter gesteuert und machen einen erhöhten Autarkiegrad möglich. Auch die Betriebsführungsstrategien von Wasserstoffeinspeiseanlagen sind ohne Digitalisierung schwer denkbar. 

In der Photovoltaikproduktion kann durch Verfahren der künstlichen Intelligenz die Produktqualität verbessert werden. So kann eine selbstlernende Bilderkennung die Solarzellen-Parameter vorhersagen. Ertragsanalysen für Zellen und Module werden durch maschinelles Lernen möglich. Bei der Batteriezellenproduktion können über digitale Zwillinge die Produktionsparameter verbessert werden. 

Für Anwendungen im »Internet of Things (IoT)« werden Technologien entwickelt, die eine Integration von Energieversorgung und Datenkommunikation in einem Bauelement ermöglichen, mit hocheffizienten Solarzellen oder organischer PV als Energielieferant. Bei der Gebäudeautomation hilft der »digitale Gebäudezwilling« (Building  Information Model, BIM), anhand der Erfassung von Big Data, den technischen Gebäudebetrieb zu optimieren und damit die Anforderungen an Komfort und Energieeffizienz besser zu erfüllen. Der Betrieb von Wärmepumpen in vernetzten Systemen kann durch Digitalisierung optimiert werden, sowohl technisch, ökonomisch als auch ökologisch.

In der Solarthermie können mit maschinellem Lernen, auf der Basis langjähriger Wetterdaten, Fahrpläne für Kraftwerke optimiert werden. 

Unabdingbar ist die Digitalisierung bei der Sektorenkopplung auf regionaler Ebene. So ist sie integraler Bestandteil beim Leuchtturmprojekt »EnStadt:Pfaff« in Kaiserslautern, wo unter Einbindung von Reallabors ein nachhaltiges Quartier für Technologie, Gesundheit und Wohnen auf dem Gelände des Nähmaschinenherstellers Pfaff entsteht. Das Fraunhofer ISE ist daran maßgeblich beteiligt. Die Möglichkeiten, die Digitalisierung sowohl für die Technologieentwicklung als auch für die Sektorenkopplung aufzeigt, sind noch längst nicht ausgeschöpft. In vielen Bereichen steht die Entwicklung erst am Anfang. Und bei all dem spielen übergreifend auch IKT-Sicherheit und Resilienz des Energiesystems eine große Rolle.