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DFG Schwerpunktprogramm

Hybride und multimodale Energiesysteme:

Systemtheoretische Methoden für die Transformation und den Betrieb komplexer Netze

Das System der Energieversorgung besteht aus vernetzten, geografisch verteilten Strukturen, die hohen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsstandards genügen müssen. Strom- und Gasnetze versorgen ganze Kontinente. Wärmenetze in Metropolen treten mit den Strom- oder Gasnetzen in Wechselwirkung. Informations- und Kommunikationssysteme zur Einsatzplanung und Netzsteuerung folgen diesen ausgedehnten Strukturen und gehen sogar über sie hinaus.

Die Umstellung auf ein nachhaltiges und durch erneuerbare Energien geprägtes System verändert dessen Struktur und Verhalten. Zum Ausgleich der Volatilität erneuerbarer Energiequellen ist eine Vernetzung des Stromnetzes mit Pufferkapazitäten sowie mit den anderen Energieträgernetzen notwendig. Hierdurch entstehen multimodale Netze. Die elektrischen Netze werden ihre Struktur von reinen Drehstromsystemen hin zu gekoppelten Drehstrom-/Gleichstromnetzen ändern, so dass hybride Netze entstehen. Aus diesem doppelten Transformationsprozess ergeben sich völlig neue Anforderungen an die Regelung und Prozessführung des Gesamtsystems, weil sich dabei die Dynamik sowohl der vermehrt dezentralen und informationstechnisch koordinierten Energieerzeuger als auch der Verbraucher verändert und folglich das System als Ganzes neue Eigenschaften erhält. Gleichzeitig wird die Komplexität des Systembetriebs signifikant erhöht, weil zukünftig nicht nur eine Anpassung der Energieerzeugung an den aktuellen Verbrauch, sondern auch eine Steuerung der Verbraucher entsprechend dem aktuellen Energiedargebot notwendig ist.

Netz

Ziel dieses interdisziplinären Schwerpunktprogramms ist es, neue systemtheoretisch begründete Konzepte für die Transformation des gegenwärtigen elektrischen Energiesystems hin zu informationstechnisch durchdrungenen, hybriden und multimodalen Netzen zu schaffen und damit einen Beitrag zur sicheren und resilienten Energieversorgung bei sich wandelnden Energiequellen und Versorgungsprinzipien zu leisten.

Diese wissenschaftlichen Untersuchungen bedürfen eines Schwerpunktprogramms, weil Netz- und Anlagenbetreiber sowie Hersteller jeder für sich weder die Kapazität noch die Systemkompetenz für die Erarbeitung netz- und domänenübergreifender Konzepte haben. Andererseits besteht ein großes volkswirtschaftliches und politisches Interesse, den Wandel der Energieversorgung voranzutreiben.

Im Mittelpunkt steht die übergeordnete Frage, wie die Gesamtstruktur aus Netzarten, Netz- und Betriebstechnologien über alle Ebenen hinweg modelliert, berechnet und optimiert werden kann. Neue methodische Ansätze wie z. B. die Theorie komplexer Netze, die Nutzung autonomer, agentenbasierter und sich selbst organisierender Systeme sowie verteilte Regelungs- und Optimierungsstrategien für prognoseunsichere Systeme sowie unter maßgeblichem Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik müssen für die Transformation und den stabilen Betrieb komplexer Energienetze erschlossen werden. Da großräumige hybride und multimodale Netze wesentlich mehr planerische und betriebliche Freiheitsgrade als die heutigen Energieträgernetze bieten, sind neue Methoden erforderlich, die probabilistische Risiko- und Unsicherheitsbetrachtungen mit neuen Fehlertoleranz und -korrekturmaßnahmen kombinieren. Die Erforschung der grundlegenden Eigenschaften und Systemdienstleistungen im Zeitbereich von Millisekunden bis zu Stunden sind ebenfalls Teil der Forschung.


The energy system consists of interconnected and geographically distributed structures, which are required to meet highest reliability and security standards. The transformation towards sustainable and widely distributed renewable energy sources does not only significantly change established structures but also the system behavior and dynamics. The electrical energy system is becoming interlinked with other energy grids transforming towards multimodal energy systems. The electrical grids themselves will incorporate HVDC-links into the AC-grid, which will lead to hybrid systems. All the above developments require completely new planning, control and operation strategies due to the changing overall system structure, dynamics and the growing complexity.

The Priority Program targets new systems theories, concepts and methods for the transformation of the electrical energy system towards hybrid and multimodal networks that are pervaded by information and communication technologies. The research delivers a contribution for reliable and resilient energy systems under the condition of changing generation and supply paradigms.

The programme’s key objective is the research in system structures of different kinds of energy grids, technologies and operation schemes as well as appropriate modeling, analysis and optimization concepts. New methodological approaches for systems prone to forecast errors and uncertainty shall be developed for their usage in resilient and complex energy network structures. These approaches could be based for instance on complex networks theory, distributed control and optimization strategies or autonomous agent-based and self-organizing systems together with respective information and communication technologies. Because of the flexibilities and degrees of freedom for the planning and operation of such large-scale interconnected hybrid and multimodal energy systems, it is necessary to develop new methods, which enable probabilistic risk and uncertainty assessments for the provision of fault-tolerance and stabilizing mechanisms and reserves.

Systems theory can deliver reduced but appropriate system models to determine sensitivities, stable parameter ranges, phase transitions – and more generally – to gain insights into the complex non-linear interactions within multimodal systems. Further investigations with realistic scope and modeling detail may only be conducted as numerical simulations based on statistical designs for scenarios and experiments. Results are expected to be technology-invariant and transferable to future energy systems in general.

The Priority Program will cover the following areas:

  • Modeling and simulation of hybrid and multimodal energy systems with pervasive information and communication technologies
  • Systems theory for structuring, planning, design and operation of complex hybrid and multimodal energy networks
  • New methods for dynamic stability assessment of hybrid and multimodal networks across different time scales
  • Concepts and methods for planning and operation of resilient multimodal energy systems
  • Control and optimization approaches for large-scale complex energy systems-of-systems under uncertainty

Programmausschuss

Koordinator

Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Rehtanz
Institut für Energiesysteme, Energieeffizienz und Energiewirtschaft (ie3)
Technische Universität Dortmund
Tel.: +49 231 755-2396

Weitere Mitglieder

Prof. Dr.-Ing. habil. István Erlich
Fachgebiet für Elektrische Anlagen und Netze
Universität Duisburg-Essen
Tel.: +49 203 379 1032

Prof. Dr.-Ing. J. Lunze
Lehrstuhl für Automatisierungstechnik und
Prozessinformatik
Ruhr Universität Bochum
Tel.: +49 234 32-24071

Prof. Dr. Sebastian Lehnhoff
Abteilung Energieinformatik (OFFIS)
Universität Oldenburg
Tel.: +49 441 9722 240

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Kontakt

Prof. Dr.-Ing. Christian Rehtanz
Institutsleitung
Tel.: 0231 755-2396