Digitalisierung & IKT
Quelle: ENavi
Forschungskategorien des Enavi-Arbeitspakets  „Digitalisierung & IKT“.
Quelle: ENavi
Arbeitspaket 9

Welche Rolle spielt die Digitalisierung bei der Energiewende?

Ein zukünftiges, auf erneuerbaren Energien basiertes Energiesystem verbindet die Sektoren Strom, Wärme und Verkehr miteinander. Windkraft- und Photovoltaikanlagen produzieren Strom aber nicht immer gleichmäßig, sondern volatil, das bedeutet das Stromangebot schwankt - je nachdem ob gerade viel Sonne scheint und Wind weht, oder nicht. Auf der anderen Seite stehen dem schwankenden Angebot neue, flexible Stromverbraucher gegenüber.

Prozesse für die Digitalisierung der Energiewirtschaft und neue IKT-Technologien sehen vor, die neue Flexibilität hochautomatisiert in einen optimalen Betrieb des Energiesystems einzubinden. Die genaue Ausgestaltung der zu Grunde liegenden Kommunikationsstruktur gilt es jedoch noch zu untersuchen. Insbesondere die Sicherheit und Stabilität des Systems gegenüber Angriffen und Ausfällen sind von fundamentaler Bedeutung.

Wir untersuchen, wie zukünftige Informationsflüsse im Energiesystem strukturiert sein können und welche Auswirkungen das auf den Betrieb des Energiesystems und die Rollen der heutigen Akteure haben kann.

Prof. Clemens Hoffmann, Institutsleiter Fraunhofer Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE

Digitalisierung bedeutet nicht nur, dass die Energiewende automatisiert werden kann. Auch die gesellschaftlichen Aspekte spielen eine wichtige Rolle: Das Arbeitspaket Digitalisierung & IKT betrachtet zum Beispiel die Auswirkungen der Digitalisierung im Personenverkehr und experimentiert mit neuen Methoden der digitalen Wissensvermittlung, um Folgenabschätzungen politischer Entscheidungen besser verständlich zu machen.

Die Digitalisierung der Energiewende wird kritische Übergänge hervorrufen. Die besondere Herausforderung in ENavi ist es, dafür zu sorgen, dass die verschiedenen gesellschaftlichen Dimensionen sowie die Vor- und Nachteile solcher Entwicklungen erforscht und berücksichtigt werden.

Prof. Carlo Jaeger, Vorsitzender Global Climate Forum

Der Verkehr ist einer der zentralen Sektoren, in denen sich die Digitalisierung auf die Anforderungen an das Energiesystem auswirkt. Die Innovationszyklen in der Autoindustrie sind deutlich kürzer als etwa in der Energiewirtschaft. Daher kann der Verkehr als Treiber der Digitalisierung des Energiesystems wirken. Technisch ist interessant, wie viel Energie E-Autos, E-Busse und E-Bikes brauchen und wie flexibel man mit ihnen den Straßenverkehr planen kann. Die Digitalisierung kann aber auch beeinflussen, wie die Menschen ihr Mobilitätsverhalten ändern.

Im Fokus steht die nachhaltige Mobilität. Das Global Climate Forum (GCF) analysiert die Verschiebung des Mobilitätsverhaltens als Reaktion auf politische Maßnahmen, Investitionen und globale Entwicklungen im Spannungsfeld zwischen Nachhaltigkeit und Digitalisierung. Dazu entwickeln die Forschenden das agentenbasierte, verhaltensbezogene Mobilitätsmodell MoTMo entwicklelt. MoTMo erlaubt Aussagen über die Entwicklung der Nachfrage im Personenverkehr in Deutschland, etwa für herkömmliche Fahrzeuge, Elektroautos, öffentlicher Personennahverkehr (ÖPNV), Car Sharing sowie Fuß- und Radverkehr bis zum Jahr 2035.

Im Modell treffen Akteure, die die Bevölkerung Deutschlands repräsentieren, Mobilitätsentscheidungen. Als Ergebnis liefert MoTMo Ausblicke zur Nachfrage nach Mobilitätstypen, zur Entwicklung der Emissionen im Verkehrssektor, die sich daraus ergeben, sowie zur räumliche Nachfrage nach Strom - denn von ihr hängt der Ausbau der Elektromobilität ab. Diese können im Decision Theater des GCF diskutiert werden.

Smart Meter Gateways sind das Schlüsselelement für die zukünftige Erfassung von Energie-Messdaten. Das Fraunhofer IEE untersucht, welche neuen Geschäftsmodelle dank dieser Daten möglich werden, und wie Energieversorger und Netzbetreiber zu den neuen Geschäftsmodellen stehen. Smart Meter Gateways sind stark reguliert, und definieren so die Grundlagen einer standardisierten Kommunikation. Sie beinhalten außerdem Regeln zu IT-Sicherheit und Datenschutz sowie Mindestanforderungen an die gespeicherten Daten. Um die tatsächlichen Eigenschaften der auf den Markt kommenden Gateways besser zu verstehen, entsteht am IEE ein Testaufbau mit einem zertifizierten Smart Meter Gateway. Die Forschenden untersuchen seine technischen Eigenschaften und vergleichen sie mit den Anforderungen an die Bereitstellung von Regelleistung.

Eine der zentralen Fragen bei der IKT-Anbindung einer wachsenden Zahl von Teilnehmern: Wie zentrale müssen Entscheidungen getroffen und die Daten gespeichert  werden? Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler betrachten dabei die Möglichkeiten, die Blockchain-Systeme bieten: verteilte Datenhaltung, Transparenz und Zuverlässigkeit der gespeicherten Daten. Die Blockchain speichert die Daten dezentral. Sie bildet einen Konsens von Veränderungen zwischen vernetzten Computern und archiviert die Änderungen chronologisch und manipulationssicher. Das Fraunhofer IEE erstellt einen Blockchain-Demonstrator für den Betrieb im Labor. An diesem System erproben die ENavi-Forschenden die Eignung von Blockchain-Lösungen für regionalen Energiehandel – sowohl technologisch als auch bezüglich regulativer Rahmenbedingungen und der Energiewirtschaft. Als konkretes Anwendungsbeispiel wird der transparente, durchgängige Nachweis der Herkunft von Strommengen umgesetzt.

Kleinere Stromverbraucher oder Stromerzeuger (Prosumer) müssen nach und nach an Strommärkte mit mindestens stündlicher Lieferzeit angebunden werden. Damit lassen sich Flexibilitäten der Sektorenkopplung über Marktmechanismen ins Stromsysten integrieren. Der Stromhandel wird dadurch aufwändiger. Deshalb ist es wichtig, dass die Technik der Marktplattformen und der Prosumer hoch automatisiert abläuft. Die Universität Kassel und das Fraunhofer IEE arbeiten an einem Marktdemonstrator, bei dem Anlagen auf einem hochfrequenten Markt miteinander Strommengen handeln. Damit wollen die Forschenden besser verstehen, wie die Abläufe in solchen hochautomatisierten Energiesystemen funktionieren.

Im Demonstrator wird jeder Prosumer durch einen Softwareagenten repräsentiert, der auf Basis heterogener Hardwarekonfigurationen und individueller Verhaltenspräferenzen („subjektive Merit-Order“) an der Stromhandelsplattform agiert. Ein wichtiger Baustein ist hier die automatisierte Beobachtung und Prognose der eigenen Erzeugung, des eigenen Verbrauchs und der relevanten Märkte. Die zu einem Prosumer gehörenden Erzeugungs- und Verbrauchskomponenten werden dabei hardwarenah simuliert. Der optimierte Stromhandel der Prosumer wird auf echten OGEMA-Energiemanagementsystemen implementiert. Ebenso werden im Realbetrieb verwendbare Kommunikationsstrukturen zwischen Marktteilnehmern und –plattform entwickelt. Neben der Analyse der technischen Umsetzbarkeit sollen insbesondere auch alternative Marktdesigns realisiert, deren Wirkung simuliert und die Resultate für weitergehende Analysen zugänglich gemacht werden.

Das Global Climate Forum arbeitet mit Modell-Stakeholder-Interaktionen, um abschätzen zu können, wie die Digitalisierung und andere politische und globale Einflüsse den Verkehrssektor verändern. Die Forschenden entwickeln auf der Grundlage von Simulationen Narrative zu Technologie, Infrastrukturentwicklung und neuen Geschäftsmodellen für verschiedene Szenarien. Sie visualisieren ihre Arbeit interaktiv mit dem „Decision Theater” und diskutieren sie mit verschiedensten Akteuren aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und Zivilgesellschaft.

Je nachdem, wie sich die Verkehrswende politisch entwickeln soll, können verschiedene Szenarien ausgewählt und auf ihre Auswirkungen hin beobachtet werden. Neue Erkenntnisse aus den Diskussionen spielen die Forscherinnen und Forscher in die Simulation zurück, damit sie für zukünftige Diskussionen zur Verfügung stehen. Zugleich können die Stakeholder so aktiv die Entwicklung der von den Forschern genutzten Modelle mit gestalten. Mit dieser Visualisierung können aktuell über 500 Kombinationen politischer und ökonomischer Annahmen analysiert werden.

Bei den Modell-Stakeholder-Interaktionen spielen drei Komponenten zusammen: Eine mobile Hardware für die Visualisierung, die auf großen Bildschirmen zeitgleich und flexibel Ergebnisse zeigen kann; eine Software, die es erlaubt, verschiedene Modelle zu zeigen und zugleich die Szenarien interaktiv vor Ort zu verändern; und eine Moderation, die das Spannungsfeld zwischen Modell und Realität bespielen kann. Zudem kann die mobile Technik zu den Stakeholdern gebracht werden. Damit ist eine hohe Flexibilität bezüglich der Stakeholder-Gruppen sowie der Anwendungsgebiete gegeben. Erste erfolgreiche Workshops zur Verkehrswende wurden bereits durchgeführt.

Mehr zum „Decision Theater” des Global Climate Forum

Prof. Clemens Hoffmann

Fraunhofer Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE, +49 (0)561 7294345, clemens.hoffmann@iee.fraunhofer.de

  • Leiter Arbeitspaket 9 Digitalisierung und IKT

Prof. Carlo Jaeger

Global Climate Forum e.V., +49 30 206073814, carlo.jaeger@globalclimateforum.org

  • Leiter Arbeitspaket 9 Digitalisierung und IKT

Publikationen aus Arbeitspaket 9

Grüne Digitalisierung in der deutschen Energiewende

Das Paper analysiert die Potentiale der Digitalisierung für eine bessere Sektorkopplung der Energiewende. Mit der Kurzstudie wollen GCF und GeSI einen Überblick darüber geben, welche Gesetze und Strategien bereits existieren und wie diese miteinander verbunden sind. Im Anschluss werden diese dann auf ihre Praxistauglichkeit untersucht. 

zum Artikel

IKT und Klimaschutz: eine digitale Architektur für die Energiewende

Im Kopernikus-Projekt ENavi werden die Rollen von Kommunikationstechnologien (IKT) im Energiesystem und die Chancen der Digitalisierung für die Bereiche Strom, Wärme und Mobilität untersucht.

Zum Artikel
Unsere Website verwendet Cookies und die Analytics Software Matomo. Mehr Information OK