In seinem neuen Digital Grid Lab simuliert das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE unterschiedliche Szenarien für die Stromnetze der Zukunft.

 

Europas Stromnetze durchlaufen im Zuge der Energiewende eine tiefgreifende Transformation: von Großkraftwerken hin zu vielfältigen, verteilten und vernetzten Einheiten. Millionen kleine Einspeiseanlagen und Speicher sowie neue Verbraucher wie E-Autos müssen künftig auf den unteren Netzebenen gemanagt werden. 

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg hat nun sein neues Digital Grid Lab in Betrieb genommen, in dem die dafür notwendigen Komponenten, Netzregelungskonzepte und Betriebsführungsstrategien erprobt werden.

Hardware in the Loop: Simulationen in Echtzeit

Herzstücke des neuen Labors sind sechs leistungsstarke Hardware in the Loop (HIL)-Computer: Sie erlauben es, Stromnetze mit bis zu 2.000 Knoten virtuell nachzubilden und in zeitlich hoher Auflösung in ihrem Verhalten zu testen. Für Anlagen an Netzknotenpunkten, aber auch für autarke Microgrids, smarte Quartiere und Verteilnetze können in dieser Testumgebung auch kritische Netzsituationen simuliert werden, ohne das echte Stromnetz zu gefährden.

Acht flexibel schaltbare Leistungsverstärker mit einer Gesamtleistung von 800 kW erlauben es, einem Prüfling diese simulierte Netzsituation aufzuprägen. Die moderne Infrastruktur ermöglicht dabei die Betrachtung von AC- oder DC-Netzen.
"Der digitale Zwilling auf dem HIL-Rechner ist dank einer Bibliothek von Modellen sehr flexibel konfigurierbar. Wir können Stromnetze unterschiedlicher Größen und Spannungsebenen simulieren und sowohl private als auch gewerbliche Energiesysteme nachbilden", so Bernhard Wille-Haußmann, der als Gruppenleiter Netzbetrieb und -planung das Labor leitet. Der Zwilling ermögliche die Evaluierung und Optimierung von Komponenten, Energiemanagementsystemen und Kommunikationsstandards in einer realitätsnahen und zugleich sicheren Umgebung. Die Palette der zu prüfenden Systeme reicht dabei von der Wärmepumpe bis zum Blockheizkraftwerk.

Zur Ausstattung des Digital Grid Labs gehört auch eine Leitwarte, in der neuartige Regelungsalgorithmen und Betriebsstrategien für Smart Grids unter dem Einsatz von künstlicher Intelligenz erprobt werden. Der Hardware-in-the-Loop-Rechner nimmt hier die Rolle des digitalen Zwillings ein und modelliert für die Leitwarte ein Stromnetz inklusive dessen Kommunikation. So können neue Regelungskonzepte unter kritischen Bedingungen evaluiert werden, ohne dass eine Gefahr für den echten Netzbetrieb besteht.

Prüfungen für intelligente Elektromobilität
 
Für den Start des Labors haben die Forschenden des Fraunhofer ISE den digitalen Zwilling eines Elektrofahrzeugs entwickelt. Mit diesem emulieren sie ein solches Fahrzeug oder auch einen ganzen Fahrzeug-Pool mit seinen Leistungsflüssen und seiner Kommunikation mit der Ladestation. So können verschiedene Arten von Ladestationen bezüglich ihrer Netzrückwirkung und im Zusammenspiel mit intelligenten Messsystemen und Energiemanagementsystemen geprüft werden. Da der Teststand im Digital Grid Lab auch mit zahlreichen realen Ladestationen verbunden ist, kann die Kompatibilitätsprüfung von Lademanagementkonzepten herstellerneutral und sicher durchgeführt werden.