Energie ist der Motor für Wirtschaft und Alltag, die Quelle unseres täglichen Lebens. Sie versorgt private Haushalte, öffentliche Einrichtungen und Unternehmen mit Elektrizität und Wärme. Mit dem Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien wird es möglich, die umweltschädliche Energieerzeugung aus Atomkraft und fossilen Energieträgern durch nachhaltige Erneuerbare Energie abzulösen. Aus diesem Grund untersucht das Zukunftslabor Energie des ZDIN kritische Wechselwirkungen und Konflikte, Herausforderungen und Risiken zwischen IKT- und Versorgungsinfrastruktur in digitalisierten Energiesystemen.
Intelligente Stromnetze – sogenannte Smart Grids – vernetzen und steuern die Stromerzeugung erneuerbarer Energien. Außerdem regeln sie die Speicherung und Verteilung dieser Energie. Hierfür müssen unterschiedliche technische Systeme in Einklang gebracht werden. Um diesen Gesamtprozess zu entwickeln und zu implementieren, ist der Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien unverzichtbar.
In Kooperation mit Partnern aus der Wirtschaft erarbeiten die Forschenden in zwei Teilprojekten Modelle und Simulationen für die Digitalisierung des Energiesektors. Im ersten Teilprojekt geht es um die Erforschung von IKT-Abhängigkeiten in Quartiersversorgungssystemen. Hierbei geht es um das Zusammenspiel digitaler Technologien mit unterschiedlichen Akteuren des Energiesystems innerhalb eines Quartiers (private, gewerbliche oder öffentliche Gebäude eines Stadtteils, die sich zur klimafreundlichen, innovativen und effizienten Energieversorgung zusammenschließen und vernetzen). Die Technologien erfassen, verarbeiten und archivieren Daten, die von dezentralen Erzeugern, Netzbetreibern und Verbraucherinnen bzw. Verbrauchern generiert werden. Elektronische Mess-, Steuer- und Regelungssysteme werden erforderlich, um regenerative Energien in das Versorgungsnetz einzuspeisen und zu verteilen. Dabei werden intelligente Messsysteme eingesetzt, die unter anderem Energieflüsse je nach Auslastung der Akteure exakt erfassen und abrechnen. Für den Einsatz dieser Systeme ist es entscheidend, technische Rahmenbedingungen und Mindeststandards festzulegen, um die Qualität der Energieversorgung zu gewährleisten.
Außerdem gilt es herauszufinden, welchen Einfluss die Systeme auf die Effizienz und Stabilität dezentraler Quartiersversorgungskonzepte haben. In diesem Zusammenhang untersuchen die Forschenden insbesondere Szenarien, in denen die IKT-Systeme vorübergehend eingeschränkt verfügbar sind – entweder aufgrund hoher Auslastung, technischer Ausfälle oder systematischer Angriffe. Unter anderem wird das Konzept der Cyber-Resilienz relevant. Damit ist die Fähigkeit eines Systems gemeint, auf Ausfälle des IKT Systems reagieren und die Auswirkungen ausgleichen zu können. Hier müssen Mechanismen entwickelt werden, die auf Störungen im laufenden Betrieb reagieren und die Energieversorgung aufrechterhalten. Neben diesem Sicherheitsaspekt beschäftigen sich die Forschenden auch mit der Einhaltung der Datenschutzgrundverordnung in Bezug auf personenbezogene Daten. Ein weiteres Thema der Forschung ist die Wirtschaftlichkeit eines digitalisierten Energiesystems. Denn die Versorgung mit Strom und Wärme muss nicht nur zuverlässig und klimaverträglich, sondern auch effizient und bezahlbar sein. Außerdem spielt die Akzeptanz und die Nutzungsbereitschaft der Gesellschaft eine wichtige Rolle. Nur wenn diese Faktoren gegeben sind, kann die Digitalisierung im Energiesystem erfolgreich sein.
Mit steigendem Anteil regenerativer Energien an der Stromerzeugung werden Vorhersagen immer wichtiger.
Last und Einspeiseprognosen sind hierbei von großer Bedeutung, um die schwankende Last und Erzeugung möglichst gut in Einklang zu bringen. Das gilt insbesondere dann, wenn der Strom dort verbraucht werden soll, wo er erzeugt wurde. Das Thema Digitalisierung spielt hierfür eine wichtige Rolle.
Die Wissenschaftler*innen führen ihre Untersuchungen in spezialisierten Reallaboren und Experimentierumgebungen unter realitätsnahen Bedingungen durch, um den Transfer der Erkenntnisse und der entwickelten Modelle in die Praxis vorzubereiten und zu ermöglichen. Das konkrete Anwendungsszenario bezieht sich auf die digitale Energieversorgung in Quartieren.
Das Teilprojekt 1 initiierten folgende, interdisziplinär kooperierende Wissenschaftler*innen:
Die Forschungstätigkeiten des Zukunftslabors Energie tragen dazu bei, konkrete Maßnahmen und Modelle für die Umsetzung der Energiewende zu entwickeln und damit den Sprung zu einer klimaverträglichen Energieversorgung zu schaffen.
