Die Nachteile der Nutzung regenerativer Energien lassen sich durch eine robuste, flexible und sichere IT-Infrastruktur ausgleichen. Dafür aber sind umfangreiche Forschungen nötig. Mit einem IT-Prototypen des Fraunhofer-Instituts für Experimentelles Software Engineering IESE lassen sich Komplexitäten des Energiesystems darstellen und mögliche Softwaresysteme testen. Im Interview erklärt Projektleiter Dr. Jens Knodel Hintergrund und Möglichkeiten des Demonstrators für das »Internet der Energie«.

Herr Dr. Knodel, warum ist IT für die Energieversorgung der Zukunft so entscheidend?

Die Energiewende krempelt die klassische Energielandschaft um. Vor einigen Jahren waren es nur rund 100 große Kraftwerke in Deutschland, die für unsere Energieversorgung zuständig waren. Heute arbeiten wir mit etwa 1,5 Millionen Windkraft- und Photovoltaikanlagen, die Strom erzeugen. In Zukunft werden wir sogar Erzeugungsanlagen im zweistelligen Millionenbereich koordinieren müssen. Vor allem auf Erzeugungsseite wird das System also deutlich komplexer. Denn es muss intelligent werden, damit auch genügend Energie zur Verfügung steht, wenn die Sonne wenig scheint oder kein Wind weht. Möglich wird diese Intelligenz nur durch die IT.

Wobei die Komplexität ja nicht nur auf Erzeugerseite steigt …

… Richtig. Auf Verbraucherseite wird das Prinzip des Demand-Side-Managements entscheidend. Das heißt, dass intelligent gesteuerte Geräte dann Energie verbrauchen, wenn sie auch vorhanden ist, oder sie in Zeiten von vorhandener Energie zur späteren Nutzung zwischenspeichern.

Intelligente IT-Systeme müssen also zusätzlich die Erzeugungsseite und die Verbrauchsseite in Einklang bringen.

Das alleine reicht aber auch noch nicht: Was die IT zusätzlich beherrschen muss, ist ein Cross-Energy-Management.

Sie meinen das Interagieren verschiedener Energiesparten wie Strom, Gas, Kälte oder Wärme?

Das Nutzbarmachen der Flexibilitäten, die sich aus der integrierten Steuerung dieser Energieformen ergeben, ist im Grunde die größte Herausforderung, die uns bislang nur in Einzelfällen schon gelingt. Denken Sie beispielsweise an ein Hallenbad, bei dem es nicht entscheidend ist, ob eine exakte Temperatur eine halbe Stunde früher oder später erreicht wird. Es kann also »warten«. Ein anderes Beispiel ist eine Kühlhalle, die extrem herunterkühlt, wenn zu viel Energie im Netz ist. All diese Prozesse müssen intelligent gesteuert werden – womit wir dann ganz schnell wieder beim Thema IT landen.

Das heißt, dass für die Energiewende neben der rein technischen Infrastruktur die Qualität der Software der entscheidende Faktor ist?

Ja. Aus unserer Sicht ist die intelligente Steuerung der Vernetzung der Systeme sogar der Hauptinnovationssprung, der nötig ist.

Sie nutzen für Ihre Arbeit den Begriff »Internet der Energie«. Was hat es damit auf sich?

Es wird ein Steuerungs-Netz entstehen, das ein Stück weit mit der Funktionsweise und Komplexität des Internets vergleichbar ist. Allerdings mit einem signifikanten Unterschied: Im Gegensatz zum »normalen« Internet haben wir beim »Internet der Energie« deutlich höhere Qualitätsanforderungen. Hier können wir es uns nicht leisten, dass beispielsweise ein Server ausfällt oder Hacker einen Zugang finden. Ein kontinuierlich funktionierendes Stromnetz ist existenziell für Menschen und Industrie. Wir brauchen also eine Gesamtsystemarchitektur, die die Heterogenität der einzelnen Teilsysteme unterstützt, die robust ist und insbesondere auf Sicherheit achtet und dabei auch noch die gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich Datenschutz erfüllt. Nur so schaffen wir auch das nötige Vertrauen in das System.

Ihr Institut arbeitet deshalb unter anderem an Konzepten, für diese vernetzten Systeme Architekturen zu definieren und die Komplexität zu beherrschen.

Wir haben jetzt zumindest einen ersten Schritt gemacht und ein Vorprojekt abgeschlossen, das vom rheinland-pfälzischen Ministerium für Wirtschaft, Klimaschutz, Energie und Landesplanung (MWKEL) gefördert wurde. Forschungsziel war es, einen Demonstrator für vernetzte, zellulär-hierarchische Systeme zu entwickeln. Mit ihm können wir veranschaulichen, wie diese Softwarelösung aussehen könnte.

Wie kann ich mir diesen Demonstrator vorstellen?

Er besteht aus mehreren Bestandteilen. Zum einen verfügen wir über eine Simulationsumgebung, in die wir einzelne Applikationen hineinladen können, um sie mit künstlich erzeugten oder real gesammelten Daten ausführen zu können. So haben Industriepartner die Möglichkeit, ihre Softwaresysteme zu testen und können feststellen, ob sie den Qualitätsanforderungen des Systems Genüge leisten. Zum zweiten haben wir eine Visualisierung integriert, die wie ein Live-Dashboard funktioniert. Sie zeigt, welche Nachrichten wann zwischen den einzelnen Softwaresystemen verschickt werden und welche Inhalte diese Nachrichten transportieren. Und drittens haben wir die Möglichkeit, bereits entwickelte Sicherheitskonzepte während ihres Betriebs darzustellen und ihre Funktionalität zu analysieren.

Auf welcher Abstraktionsebene arbeiten Sie dabei?

Derzeit arbeiten wir mit dem Szenario einer ländlichen Region – eine Kleinstadt mit Gewerbe- und Industriegebiet und zusätzlich Dörfer drum herum. Dabei gehen wir von einer Versorgung durch Solarparks beziehungsweise Windparks aus. Wir haben eine »funktionierende« Infrastruktur für dieses hypothetische Szenario geschaffen und können damit auch praktisch demonstrieren, in welche Richtung unsere Forschung geht. Auf Grundlage dieser Ergebnisse gehen wir nun auf die Suche nach interessierten Industriepartnern und wollen vertiefende Fragestellungen in weiteren Forschungsvorhaben untersuchen.

Das heißt, in einem nächsten Schritt werden Sie die Komplexität weiter erhöhen, um noch näher an der Realität zu forschen?

Definitiv ja, wir forschen im Moment tatsächlich nur mit einem kleinen Ausschnitt aus den tatsächlichen Komplexitäten. Zunächst arbeiten wir an der Frage, welche Informationen zwischen den einzelnen Zellen hin und her fließen müssen und wie das Kommunikationsprotokoll ausgestaltet sein muss. Ziel dabei ist, die Struktur mit so viel Intelligenz auszustatten, dass Probleme, wie etwa der Ausfall eines Teilsystems, möglichst immer lokal lösen zu können und das übergeordnete System nur eingreifen muss, wenn es nötig ist. Zudem wollen wir unsere Forschungsergebnisse zusammen mit Industriepartnern erden und in die Praxis transferieren.

(ak)

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Dr.-Ing. Jens Knodel
  • Fraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE
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