Open Source für die globale Energiewende

Zugangsfreie, offene Software, Benchmarks und Datensätze: Die Energy Computing Initiative der Helmholtz-Gemeinschaft unterstützt die klimafreundliche Transformation von Energiesystemen.

Ob bei der Planung neuer Stromleitungen und verteilter Kraftwerke oder bei einer Novellierung der Energiemarktregulation – Computermodelle helfen dabei, im Rahmen der Energiewende fundierte Entscheidungen zu treffen. Zudem unterstützen sie die Disposition von Kapazitäten bei Erzeugung, Transport und Speicherung von Energie unter Berücksichtigung dynamischer Parameter wie Wetter und Verbrauch. Für diese Modellierung von Energiesystemen gab es bislang keine gemeinsamen Standards.

Dazu präsentiert die Helmholtz-Gemeinschaft (HGF) mit der Helmholtz Energy Computing Initiative (HECI) [1], an der sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verschiedener Helmholtz-Zentren beteiligen, erstmals eine kostenlose und quelloffene Plattform. Auf dieser stehen zugangsfreie Benchmarks, skalierbare Methoden, realistische Daten sowie Open-Source-Software für die Projektierung und Optimierung künftiger Energiesysteme bereit: „Mit dieser Initiative stellen wir wertvolle Ressourcen auf dem Weg zu einem sicheren, nachhaltigen und bezahlbaren Energiesystem frei zugänglich zur Verfügung“, sagt Professor Holger Hanselka, Vizepräsident für den Forschungsbereich Energie der Helmholtz-Gemeinschaft und Präsident des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). „Wir bekennen uns damit klar zu Open Source und einem transparenten Austausch in der Wissenschaft und setzen globale Standards für die Energiesystemmodellierung.“

Werkzeugkasten für die Transformation des Energiesystems

Unter den derzeit insgesamt zehn verschiedenen Werkzeugen der HECI befindet sich beispielsweise das „Framework for Integrated Energy Assessment“ (FINE) – eine Software, die speziell dafür konzipiert wurde, sektorübergreifende Energiesysteme zu verbessern und dabei hilft, Transformationspfade des Gesamtsystems zu bestimmen. Für die Lösung typischer Optimierungsprobleme beim Ausbau erneuerbarer Energien stehen neu entwickelte Algorithmen wie der „McCormick-Based Algorithm For Mixed-Integer Nonlinear Global Optimization“ (MAiNGO) oder auch das „Time Series Aggregation Module“ (tsam) zur Verfügung. Die schnelle Modellierung individueller archetypischer Gebäude ermöglicht das „Tool for Energy Analysis and Simulation for Efficient Retrofit“ (TEASER).

Ein weiteres Werkzeug der HECI-Plattform ist die kostenlose Software-Toolbox „Python for Power System Analysis“ (PyPSA). Mit dieser können der Betrieb moderner Stromversorgungssysteme simuliert und optimiert werden, um korrekte Investitionsentscheidungen treffen zu können. Dazu umfasst PyPSA Modelle von konventionellen Erzeugern, von Wind- und Solaranlagen, Speichern, zur Sektorenkopplung und zu gemischten Wechsel- und Gleichstromnetzen. Damit ist die Lösung beispielsweise von Static-Power-Flow Problemen oder die Berechnung eines optimalen linearen Leistungsflusses innerhalb der Netzgrenzen möglich. Im Gegensatz zu vielen anderen Werkzeugen zur Energiesystemanalyse erlaubt PyPSA auch die Simulation über längere Zeiträume und nicht nur eine einzelne Periode.

Python für die Optimierung der Stromversorgungssysteme

Der in Python geschriebene Quellcode von PyPSA wird von der Gruppe „Energiesystemmodellierung“ am Institut für Automation und angewandte Informatik des KIT gewartet und ist unter der GPL 3.0 auf GitHub [2] frei verfügbar. Unterstützt werden derzeit Python 3.6 und Python 3.7, für die Zukunft ist auch die Unterstützung von Python 3.8 geplant. Getestet wurde ebenfalls die Kompatibilität zu Python 2.7, dessen Unterstützung allerdings ausläuft.

PyPSA setzt dabei auf verschiedene Python-Packages auf. So zum Beispiel auf „pandas“ zur Datenspeicherung, „numpy“ und „scipy“ für lineare Algebra und Sparse-Matrix-Berechnungen oder „py.test“ für den Unit-Test und „logging“ zur Verwaltung von Messages. Die Toolbox selbst stellt kein grafisches User-Interface zur Verfügung. Die Darstellung der Netzwerke und ihrer Eigenschaften kann allerdings mit Hilfe der interaktiven Notebooks von „iPython“ oder mit der Javascript-basierten Bibliothek „plotly“ erfolgen,

Neben einer ausführlichen Beschreibung der Funktionalität stehen auf der Homepage des Projekts [3] auch Links zu umfangreichen Beispielprogrammen bereit.

Für mehr Kooperation und Austausch in der Energieforschung

Realisiert wurde die HECI-Plattform im Rahmen der gemeinsamen Helmholtz-Initiative „Energie System 2050“. Beteiligt waren neben dem KIT das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), das Forschungszentrum Jülich (FZJ), das Helmholtz-Zentrum Potsdam (GFZ), das Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP – assoziiert), das Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) und das Karlsruher Institut für Technologie. In das interdisziplinäre Projekt fließt dabei nicht nur Knowhow aus den Technik- und Naturwissenschaften ein, sondern auch aus den Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Damit ist es möglich, greifbare und verwertbare systemtechnische Erkenntnisse und technologische Lösungen zu erarbeiten, die Politik und Wirtschaft aufgreifen können.

Zudem besitzt ein offenes und gemeinsames Ökosystem für die Modellierung von Energiesystemen weitere Vorteile: Da Energiepolitik in hohem Maße kontrovers sein kann, erhöht offene Forschung das Vertrauen der politischen Entscheidungsträger und der Öffentlichkeit in die Ergebnisse der Wissenschaft. Durch die zugangsfreie Verfügbarkeit wird zudem die Redundanz von Forschungsarbeit verringert, sodass Ressourcen effizienter genutzt werden. Außerdem kann die Qualität der Forschung selbst profitieren, da Feedback und Fehlerkorrekturen durch zahlreiche Akteure in die weitere Entwicklung des offenen Quellcodes einfließen.

Nicht zuletzt fördert die Open-Source-Bereitstellung nach Ansicht des KIT auch die Kooperation im Energiebereich auf nationaler und internationaler Ebene. So lassen sich Modelle, die mit denselben Werkzeugen erstellt wurden, leichter austauschen und die Anpassung der Software an die eigenen Bedürfnisse ist zudem einfacher. Benutzerinnen und Benutzer können sich außerdem bei der Anwendung gegenseitig unterstützen. Die Modellierungswerkzeuge der Helmholtz-Gemeinschaft sind bereits bei großen Übertragungsnetzbetreibern in Deutschland im Einsatz und werden weltweit von Forschungsinstitutionen, Nichtregierungsorganisationen und Unternehmen verwendet.