Routing auf Stromnetzen: Wie Methoden aus der Navigation in der Energiesystemmodellierung angewendet werden können
Aktuelle Studien, wie Dynamis, zeigen, dass für kostenoptimale Transformationspfade hin zu einem dekarbonisierten Energiesystem vor allem ein starker Ausbau erneuerbarer Energieerzeugung in Form von Windkraft und Photovoltaik nötig sein wird. Diese Ergebnisse legen ebenso wie der aktuelle Szenariorahmen für den Netzentwicklungsplan Strom, an dem die FfE mitgewirkt hat, nahe, dass in Deutschland weiterhin ein umfangreicher Netzausbau nötig sein wird. Um diesen effizient und nachhaltig planen zu können, wird das komplexe Wechselspiel zwischen erneuerbarer Stromerzeugung, Stromnachfrage, Speichern und Power-to-X-Technologien mit dem Stromnetz in Modellen abgebildet. Dabei bleiben diese Modelle nur Annäherungen an die Realität. Aus Gründen begrenzter Rechenkapazitäten sowie eingeschränkter Datenverfügbarkeit müssen bei der Modellierung von Stromnetzen auf allen Spannungsebenen vereinfachte Annahmen getroffen werden.
Während die Netzabbildung im FfE-Energiesystemmodell ISAaR die Höchstspannungsebenen 220 kV und 380 kV im Rahmen einer linearisierte Lastflussrechnung stattfindet, wurden die darunterliegenden Mittel- und Hochspannungsebenen bisher lediglich durch eine vereinfachte geographische Verortung der Erzeugung oder Last über einen sogenannten „Nearest Neighbor“ Ansatz in Verbindung mit Verwaltungsgrenzen dargestellt.
Dass diese vereinfachte Geo-Zuweisung die netztopologischen Gegebenheiten außer Acht lässt, zeigt Abbildung 1 deutlich:
Nach bisheriger Methode würde eine vorliegende Stromlast im abgebildeten Landkreis Breisgau-Hochschwarzwald (blau) zur Gänze dem Netzknoten (rot) 10060 im nordwestlichen Abschnitt der Karte zugewiesen werden. Es zeigt sich jedoch, dass das 110-kV-Netz (orange) an drei Ecken in den Landkreis eindringt, innerhalb jedoch nicht verbunden ist. Somit würde sich die Last des Landkreises eher auch auf die umliegenden Netzknoten 10030 und 10056 verteilen.
Durch die im ET-Artikel vorgestellte Methode des Routings auf Stromnetzen wird diesem Umstand nun Rechnung getragen. Die Last des Landkreises wird zunächst über Voronoi-Polygone (siehe Abbildung 2) auf die Entnahmepunkte des 110-kV-Netzes verteilt und anschließend über einen shortest-distance Algorithmus, der durch die Routing-Erweiterung pgRouting in die FREM-Datenbank implementiert wurde, den nächsten Netzknoten entlang des 110-kV-Netzes zugewiesen.
Die neuen Zuweisungsmethodiken pro Spannungsebene zeigt Abbildung 2:
Durch diese neue Methodik der Zuweisung von Last oder Erzeugung zu den Netzknoten des 110-kV-Netzes konnte eine deutliche Homogenisierung der auftretenden Belastung an den Netzknoten im Modell erreicht werden. Eine umfassende Validierung der Methodik im Rahmen von Lastflussrechnungen steht aktuell noch aus.
Die SQL-Skripte zur Aufbereitung der Daten und zum eigentlichen Routing sind in GitHub abrufbar unter https://github.com/michaebner/power-routing.
