Energienetze und Modellreduktion (EMO)

Energienetze

Der Übergang zu regenerativ erzeugtem Strom und Gas hat massive Auswirkung auf die Betriebsführung von Strom-, Gas- und Wärmenetzen. Eine stark schwankende Einspeisung in mittlere und untere Netzebenen erfordert zunehmend kommunikative, modellbasierte Konzepte für eine optimale Regelung unter Unsicherheiten.

So dienen Fernwärmenetze im Wesentlichen der Versorgung mit Wärme und Warmwasser. Die Betreiber von Fernheizkraftwerken (FHKW) erwirtschaften einen Gutteil ihres Erlöses aber auch durch den Verkauf von Strom, der durch Kraft-Wärme-Kopplung parallel zur Wärmeerzeugung anfällt. Die Einbeziehung und dynamische Regelung des Fernwärmenetzes als großen Energiespeicher kann dabei helfen, der Volatilität am Strommarkt besser zu folgen und damit die Gewinne des Unternehmens zu steigern.

Die Optimierung der Betriebsabläufe des FHKWs setzt aber voraus, dass alle seine Komponenten so genau wie möglich mathematisch abgebildet werden. Für das Fernwärmenetz bedeutet dies, dass man nicht nur statische Zustände, sondern seine gesamte zeitliche Dynamik berücksichtigen muss. Nur so kann das Netz als eine Komponente des FHKWs optimal betrieben werden.

Unabhängig von der Energieart (Strom, Erdgas, Fernwärme) gibt es mathematische Probleme bei der Modellierung, Simulation, Optimierung bzw. Steuerung, die immer wiederkehren.

Unsere Kompetenzen im Bereich Energienetze umfassen das gesamte Spektrum:

  • mathematische Modellierung
  • Algorithmenentwicklung
  • Optimierung und Steuerung bzw. Regelung
  • Softwareimplementierung

Aufgrund der Größe und Komplexität der mathematischen Modelle müssen Verfahren der Modellreduktion entwickelt und angewendet werden, um die Simulation zu beschleunigen und so überhaupt eine modellbasierte Regelung zu ermöglichen. Diese Modellreduktion muss so ausgelegt sein, dass die wesentlichen Prozesse nicht unterdrückt werden.

Modellreduktion

Dank hochentwickelter Software und starker Rechnerleistung lassen sich heute technische Produkte und Prozesse sehr detailliert simulieren. In der Regel genügt dies dem Entwickler jedoch nicht: Er möchte Varianten erproben, schnell bewerten und schließlich optimieren oder das Wechselspiel z.B. zwischen Struktur und Strömung verstehen.

Die Schlüsseltechnologie hierfür lautet parametrische Modellreduktion: Hierbei werden die Ausgangsobjekte, z.B. große Finite-Elemente-Modelle eines schwingenden Körpers oder nichtlineare differential-algebraische Gleichungen zur Beschreibung eines Energietransportnetzes, in parametrische reduzierte Zustandsraummodelle überführt. Diese können dann erheblich schneller ausgewertet werden als die Ursprungsmodelle und wegen der einheitlichen Struktur lassen sich auch Objekte, die ursprünglich mit ganz unterschiedlichen Simulatoren modelliert wurden, miteinander koppeln.

Mit dem am ITWM entwickelten parametrischen Ansatz können zwei klassische Probleme der Modellreduktion überwunden werden:

  • Für neue Designparameter muss keine neue Reduktion mehr gestartet werden. Vielmehr wird aus wenigen, einmal vorab erstellten reduzierten Modellen das für den neuen Parametersatz per Interpolation erzeugt - oft in Bruchteilen einer Sekunde.
  • Nichtlinearitäten können endlich behandelt werden, und zwar, indem Arbeitspunkte als Modellparameter dienen.

Das Konzept zur Behandlung neuer Kundenaufträge besteht darin, je nach Anwendung neue Schnittstellen zur am ITWM entwickelten universellen Modellreduktions-Toolbox (MRT) zu implementieren. Bisher liegen solche für ANSYS (Multiphysics FE-Paket) und PSAT (Simulator für elektrische Transportnetze) vor.

In den vergangenen Jahren wurden Projekte aus ganz unterschiedlichen Bereichen bearbeitet: elektrische und Erdgasnetze, aktive Lärmreduktion in Fahrzeugen, Echtzeitsimulation tieffrequenter Raumschallfelder, Optimierung eines Subwoofers, sowie Industrieprojekte im Bereich thermische Verformung.

Beispielprojekte

 

3D-Rekonstruktion bei Hüftfraktur

Im Projekt mit Stryker Navigation unterstützten wir bei der Entwicklung eines Computer Assisted Surgery Systems zur minimalinvasiven Behandlung von Hüftfrakturen.

 

PAMOR

Parametrische Modellreduktion für rechnergestützte Designoptimierung. Ziel des Projekts war es, eine entsprechende Software (Model Reduction Toolbox) weiterzuentwickeln.

 

Entzerrung von Basslautsprechern

Das hier vorgestellte Projekt wurde in enger Zusammenarbeit mit der Firma KS-Beschallungstechnik durchgeführt, einer der ersten Adressen für Profilautsprecher.

 

Gaspipeline-Netzwerke

Die nachfolgend geschilderten Arbeiten stellen Beiträge zum EU-Projekt e_GASGRID dar.

 

Medikamentenapplikation am Innenohr

Im Projekt wurde ein mathematisches Modell zur Computersimulation der Stoffverteilung in den Innenohrflüssigkeiten bei der lokalen Pharmaka-Applikation entwickelt.

 

Strahlungstransport in streuenden Medien

 

Simulation von Mischvorgängen für Schüttgüter

Im Projekt wurde Software zur Regelung und Simulation von Mischbetten erstellt.