Mehr Verbraucher auf der einen Seite und mehr Erzeuger mit schwankender Leistung auf der anderen Seite. Das sind die Herausforderungen, denen sich moderne Stromnetze stellen müssen. Photovoltaik und Windkraft liefern witterungsbedingt nicht konstant Strom. Gleichzeitig wird die Stromnachfrage in den kommenden Jahren mit der zunehmenden Elektrifizierung des Individualverkehrs und vieler anderer Sektoren voraussichtlich weiter ansteigen. Aber er muss stabil bleiben. Elektrizität darf nicht kommen und gehen wie der Wind. Künstliche Intelligenz soll dabei helfen das Stromnetz zu stabilisieren.
Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie ein dezentralisiertes Stromnetz, das gesteuert durch künstliche Intelligenz (KI), dazu beiträgt, dass drängende Problem der Stromversorgung löst. Im Rahmen des Projekts „AI4DG“ entwickeln sie eine künstliche Intelligenz, die an verschiedenen Stellen des Netzes läuft, Messdaten sammelt und neben ihrer Steuerungsaufgabe auch Prognosen über den Stromverbrauch und die Leistung der verschiedenen Erzeuger liefert.
Das stabile Stromnetz der Zukunft durch künstliche Intelligenz
Der Projekttitel „AI4DG“ steht für „Artificial Intelligence for Digital Grid Energy and Control“ oder „Artificial Intelligence on the edge for a secure and autonomous distribution grid control with a high share of renewable energies“. Es handelt sich um ein computergestütztes System, das dem Netz hilft, sich an einen hohen Anteil erneuerbarer Energien anzupassen und eine sichere, autonome Steuerung der Stromversorgung zu ermöglichen. „On the edge“ ist der Begriff für eine neue Art der Datenverarbeitung, die als „Edge Computing“ bezeichnet wird. Dabei werden Daten lokal verarbeitet und nicht in einer Cloud, wo sie erzeugt werden.
Die KI wird für den Einsatz in Netzstationen entwickelt und kann mit ihren Vorhersagefähigkeiten erkennen, wann zu viel Strom das Netz überlastet. Die zusätzlich erzeugte Energie wird von den Hausbatterien aufgenommen. Auf diese Weise verteilt man die von den PV-Modulen gelieferte Energie auf die Belegschaft. Dies hilft, die Last auszugleichen, wenn eine Person nicht verfügbar ist. Wenn eine KI ausfällt, springt eine andere ein und übernimmt.
Dies ist eine große Herausforderung. Es würde dem Land auch helfen, den Übergang zu einem vielfältigeren Energiemix zu bewältigen. „Wir befinden uns mitten in der Transformation, weg von einem zentralisierten Stromnetz, das auf fossile und nukleare Energieerzeugung ausgelegt ist, hin zu einem dezentralen, flexiblen und erneuerbaren Stromnetz“, so Dr. Jens Haubrock PhD und Dr. Ulric Eskin PhD.
Haubock ist Professor für Design an der FHB. Er hat aus erster Hand erfahren, wie Designer KI in ihrer Arbeit einsetzen können und beteiligt sich selbst, indem er Kurse zu diesem Thema gibt. Ruckert leitet ein Zentrum für Design mit KI. Sie helfen dabei, Designer auf den Einsatz von KI in der Zukunft vorzubereiten.
Wie unser Stromnetz funktioniert
Das Stromnetz besteht aus zwei verschiedenen Netzen – Übertragungsleitungen und Verteilungsleitungen. Das Übertragungsnetz überträgt Strom über große Entfernungen und kann entweder eine Spannung von 380 kV oder 220 kV haben. Zu den Kraftwerken gehören auch Kontrollstationen und Transformatoren. Die großen Kraftwerke erzeugen ihren Strom und leiten ihn direkt in die Übertragungsnetze. Von dort fließt der Strom in die Verteilungsnetze mit Mittel- und Niederspannungsebene.
Diese Netze werden von den so genannten „Übertragungsnetzbetreibern“, kurz ÜNB, unterhalten. Die ÜNB sind jeweils für eine bestimmte Region zuständig und sorgen mit ihren technischen Einrichtungen für eine konstante Spannung und Netzfrequenz. Außerdem sorgen sie für die Zuverlässigkeit der Versorgung. Ihr Fahrplan – oder Stromhandelsbuch – sagt Ihnen, wann Ihr Strom geliefert wird, und wird regelmäßig aktualisiert. Dabei berücksichtigt man, ob die Nachfrage das Angebot übersteigt. Wenn es in Ihrem Land zu Engpässen kommt, müssen Sie das Problem beheben.
Verteilungsnetze arbeiten oft mit niedrigen Spannungen und bieten auch eine Vor-Ort-Versorgung. „Im Verteilnetz besteht die Hauptaufgabe darin, die Spannung lokal zu regeln und Überlastungen von Geräten zu verhindern“, erklären Haubrock und Rückert. Das Fahrplanmanagement ist jedoch selten.
Stromproduktion immer mehr auf Verteilerebene
Die Stromerzeugung ist im Wandel, man installiert immer mehr Kraftwerke auf der Verteilerebene. Dies wird sich in naher Zukunft darauf auswirken, wie die Energie über die städtischen Netze geleitet wird. Dies ist das Ergebnis der dezentralen Energieerzeugung durch zahlreiche Solarkraftwerke. Sowohl der Verbrauch als auch die Erzeugung in den Niederspannungsnetzen steigen und schwanken auf höherem Niveau.
Das deutsche Stromnetz wird immer komplexer und schwieriger zu beherrschen. Schulte forscht seit einiger Zeit, bisher als wissenschaftlicher Mitarbeiter in Projekten, die den Energieverbrauch mitgestalten und verändern wollen.
Dieses Projekt ist eine Weltpremiere und erstreckt sich über den gesamten Globus – die Fachhochschule Bielefeld, die Universität Grenoble Alpes und die Universität Bielefeld haben alle ihre Hände im Spiel. Die Idee stammt von der Fachhochschule, das Wissen über das Stromnetz kommt von Grenoble Alpes und die KI-Expertise von Grenoble Alpes. Wir kümmern uns um das Edge Computing bei. Industriepartner – Westfalen Weser Netz und das französische Unternehmen Atos World Grid – werden an diesem Feldversuch beteiligt sein.
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