Leitwarte zur Entwicklung und Simulation von Überwachungs- und Steuerungsalgorithmen für Energienetze – unser Energy Operation Center

Wir planen und steuern die flexiblen Stromnetze von morgen

Die Energiewende wird zu einer immer größeren Herausforderung für den sicheren Betrieb der Stromnetze. Windanlagen konzentrieren sich zum Beispiel im Norden, Photovoltaikanlagen sind eher im Süden Deutschlands zu finden und stark besiedelte Regionen können unter Umständen gar nicht genug regenerativen Strom erzeugen, um den Energiebedarf von Industrie, Handel und Privathaushalten zu erfüllen. Die dezentrale Stromerzeugung aus Sonne, Wind und Biomasse macht also mehr Stromleitungen und intelligente Betriebsführungsstrategien in den Transport- und Verteilnetzen nötig. Strom aus erneuerbaren Energien kann nur über ein optimiertes und bedarfsgerecht ausgebautes Energieversorgungsnetz verteilt werden.

Wir unterstützen Übertragungs- und Verteilnetzbetreiber, Regionalversorger und Stadtwerke beim sicheren Betrieb ihrer Stromnetze. In unserem Energy Operation Center, einer Leitwarte zur Entwicklung und Simulation von Überwachungs- und Steuerungsalgorithmen für Energienetze, visualisieren wir alle relevanten Vorgänge im Verteilnetz und ermöglichen Analysen zu verschiedenen Systemzuständen und Betriebsszenarien.

© Fraunhofer IFF, Viktoria Kühne
Wir begleiten den sicheren Netzbetrieb über alle Phasen hinweg: von der Planung regionaler Micro Grids und der Integration dezentraler Energieerzeugungsanlagen in das Verteilnetz, über die Steuerung des Energienetzes bis hin zur digitalen Entscheidungsunterstützung der Fachkräfte bei Netzbetreibern und Stadtwerken.

Unsere Leistungen für die flexible Netzsteuerung und smarte Energienetze:

  • Dynamische Überwachung, Prognose, Steuerung und Sicherheitsbewertung von Energiesystemen
  • Vorhersage des dynamischen Netzverhaltens bei Störungen oder Havarien
  • VR-basierte Planung und Dimensionierung regionaler und überregionaler Energienetze
  • Sektorenübergreifendes Netz- und Energiemanagement
  • Testen von Komponenten, Netzregelungskonzepten und Betriebsstrategien für stabile Stromnetze
  • KI-basierte Datenanalyse zur assistierten Entscheidungshilfe für Operator (Assistenzsysteme)

Mit intelligenter Gestaltung der Netzinfrastruktur zum Smart Grid

In unserem Energy Operation Center erproben wir z.B. die sektorenübergreifende Betriebsführung von Energiesystemen und wir arbeiten daran, die komplexen Erzeuger-, Last- und Speicherstrukturen so aufeinander abzustimmen, dass eine sichere und stabile Energieversorgung gewährleistet ist.

© Fraunhofer IFF, Dirk Mahler

Wir sorgen für ein stabiles Netz

Konzipiert ist unser Stromnetz ursprünglich als Einbahnstraße. Auf seinem Weg vom Erzeugungs- zum Verbrauchsort wird Strom über bis zu vier Spannungsebenen im Stromnetz geleitet. Die Übertragungsnetze – Stromautobahnen – übertragen Höchstspannungsstrom über weite Strecken. Die Verteilnetze – Stromlandstraßen – leiten Strom weiter von Hochspannungs-, über Mittelspannungs- bis zu Niederspannungsleitungen. So gelangt Strom letztlich von Kraftwerken zu Fabriken, Betrieben und Haushalten. 

Dezentrale Stromerzeuger liefern ihren Strom nicht mehr wie die großen Kraftwerke direkt in die Stromautobahnen. Sie speisen Strom in die kleineren Verteilnetze ein und von dort gebündelt in die Übertragungsnetze zurück. Lastflüsse kehren sich zeitweise um und sind hochdynamisch. Für diese Aufgabe sind die Verteilnetze ursprünglich nicht gemacht.

Wir kombinieren Strom- und Datennetze zu Smart Grids, in denen die Erzeugung, Verteilung und Speicherung der erzeugten Energie koordiniert werden kann.

Energy Operation Center im Detail

© Fraunhofer IFF, Viktoria Kühne

In unserer Leitwarte erproben wir neue Regelungsalgorithmen und Betriebsstrategien für Smart Grids

Der Leitstand ist Herzstück unserer Forschung für die Versorgungssicherheit mit Energie.

Im Energienetz der Zukunft werden Steuerungsaufgaben (teil-)automatisiert sein. Intelligente Stationen werden selbstständig in der Lage sein, auf Störfälle und Havarien zu reagieren. Im Energy Operation Center testen wir Mechanismen zur Koordinierung, zum Datenmanagement und zur Kommunikation.

In der Anlagentechnik sind digitale Zwillinge weit verbreitet. Wir skalieren das Konzept des Digital Twins auf komplexe elektrische Energieversorgungssysteme. Wir rücken Simulation und Realität näher zusammen, verbessern die Zuverlässigkeit der Netzüberwachung, die Wirkung von (Gegen-)Maßnahmen und erhöhen so die Ausfallsicherheit.

Dynamische Last- und Erzeugungsprognosen sind die Grundlage dafür, Energieströme bestmöglich innerhalb der verfügbaren Komponenten zu koordinieren. Datenanalysen, Ersatzwert- und Clusterbildung sowie die Beobachtung der Energiemärkte ermöglicht die wirtschaftlich-technisch optimale Energieanlageneinsatzplanung.

Wir setzen auf Verfahren des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz, um tiefergehende Zusammenhänge im Energienetz zu erkennen. Verbrauchsdaten aus Smart Metern, Prognosen zur Energieerzeugung, Wetterdaten u.ä. kann analysiert werden, um das Kundenverhalten und Stromverbräuche vorherzusagen und neue Geschäftsmodelle zu entwickeln.

Sektorenkopplung ist Schlüsseltechnologie für eine klimaneutrale Energieversorgung

Wir koppeln Energiesektoren für eine Flexibilisierung des Energiesystems

Die Entwicklung der Energieerzeugungssituation zeigt, dass es nicht mehr zweckmäßig ist, einzelne Bereiche getrennt voneinander zu betrachten. Durch Sektorenkopplung ist es stattdessen möglich die verfügbaren Freiheitsgrade einzelner Systeme übergreifend nutzbar zu machen. Die intelligente Vernetzung, Steuerung und Optimierung der Energiesektoren Strom, Wärme und Gas mit den Verbrauchssektoren Haushalt, Gewerbe, Industrie und Verkehr sind der Schlüssel für ein klimaneutrales Energiesystem.

In unserem Energy Operation Center simulieren wir das Verhalten einzelner Komponenten in Echtzeit auf Basis realer Daten und bilden deren Zusammenspiel im Energienetz ab.

Windkraft-, Biogas-, Photovoltaikanlagen, Wasserkraftwerke, KWK- und Power-to-X-Anlagen, Batteriespeicher, Gasturbinen oder Generatoren usw. – wir betrachten alle dezentralen Stromproduzenten und Komponenten in einem Gesamtmodell und schließen sie zu einem virtuellen Kraftwerk zusammen. Unser Energy Operation Center übernimmt als zentrale Leitwarte die Koordination der einzelnen Einheiten über spezielle Algorithmen für einen optimalen sektorenübergreifenden Systembetrieb.

Assistenzsysteme für Leitstandoperatoren

© Fraunhofer IFF, Viktoria Kühne

Mit unseren digitalen Assistenzsystemen haben Operator:innen das Energiesystem im Blick

Je mehr kleine, dezentrale Erzeugungsanlagen in die Stromversorgung eingebunden sind und je weniger konventionelle Kraftwerksleistung vorgehalten wird, desto mehr nimmt die Störanfälligkeit des elektrischen Energieversorgungssystems zu. Auch das Zeitfenster, das bleibt, um auf kritische Störungen und Havarien zu reagieren, wird für Operator:innen immer kleiner.

Unser sektorenübergreifendes Assistenzsystem macht dynamische Vorgänge im Stromnetz sichtbar und gibt Fachkräften in Energie-Leitständen gezielte Handlungsempfehlungen, um das Netz zu optimieren und Blackouts zu verhindern. Das Assistenzsystem selektiert und wertet Informationen mit Hilfe mathematischer Methoden (z.B. Fuzzy Logic, maschinelles Lernen, künstliche Intelligenz) aus.