Digitaler Zwilling des Verteilnetzes sorgt für mehr Netzstabilität

März 30, 2023

Die zunehmende Komplexität in der Stromversorgung, dringender Bedarf nach mehr Digitalisierung und Prozessautomatisierung, sowie die ehrgeizige Zielsetzung, die Netze schnellstmöglich zu modernisieren und auszubauen – all das führt dazu, dass das Konzept des digitalen Zwillings in der Energiebranche immer mehr Aufmerksamkeit gewinnt. Dabei hat sich der Energiesektor mit den Vorteilen dieser Technologie relativ spät auseinandergesetzt. Während digitaler Zwilling in vielen Branchen, wie der Automobil-, Luftfahrt- und Bauindustrie, bereits einen erheblichen praktischen Stellenwert erlangt hat, weisen die meisten Projekte im Energiesektor bisher noch einen Forschungscharakter auf.

Lasst uns daher einen genaueren Blick darauf werfen, was einen digitalen Zwilling der Verteilnetze ausmacht, warum diese Technologie zunehmend als die Zukunft der Netze betrachtet wird, und welche Bereiche davon am schnellsten profitieren würden.

Eine kurze Geschichte des digitalen Zwillings

Die Idee der digitalen Zwillinge tauchte erstmals 1991 im Buch „Mirror Worlds“ des Yale-Professors David Gelernter auf. Auch wenn der Buchtitel vielleicht einen anderen Eindruck erweckt, handelte es sich dabei nicht um Science-Fiction. „Mirror Worlds“ sagte ziemlich genau die Entwicklung von „Spiegelbildern“ von Objekten, Gebäuden und sogar Unternehmen voraus: „Diese Spiegelwelt, die Sie betrachten, wird von einem stetigen Strom neuer Daten gespeist, die durch Kabel fließen.“

Entgegen der weit verbreiteten Annahme, dass der Begriff „digitaler Zwilling“ im Jahr 2010 von der NASA geprägt wurde, findet man ihn tatsächlich bereits in einem medizinischen Forschungsartikel von Renaudin et al. von 1994. Diese Idee blieb jedoch nur eine Theorie, bis Michael Grieves das Konzept der digitalen Zwillinge in seinen ersten Kursen zum Thema Produktlebenszyklus-Management an der University of Michigan 2002 einführte.

Digitaler Zwilling ist nicht immer gleich digitaler Zwilling

Das “Internet der Dinge“, die digitale Transformation und Big Data verleihen dem Konzept eines digitalen Zwillings immer mehr Anreiz und Stellenwert. Ein vollständiges digitales Abbild eines Systems entfaltet jedoch sein volles Potenzial erst dann, wenn die realen Prozess- und Betriebsdaten mit den Daten aus der Umgebung, in der sich das System befindet, verknüpft werden.

Voraussetzungen für einen ‘guten’ digitalen Zwilling:

Echte Daten aus der Praxis
Prozessdaten (Messwerte, Überwachungswerte, Grenzwerte) kombiniert mit Umgebungsdaten (Temperatur, Wetterbedingungen, Topologie)
Regelmäßige (oder noch besser – nahezu Echtzeit-) Datensynchronisation mit dem physischen Pendant

Man kann sich diese obigen Voraussetzungen als drei Dimensionen vorstellen, welche die Säulen des digitalen Zwillings bilden. Je nach Verfügbarkeit oder Fehlen einer dieser Dimensionen – oder auch je nach deren Umfang – können digitale Zwillinge verschiedene Einsatzmöglichkeiten haben.

Diese erstrecken sich von einer rein statischen Darstellung eines Prozesses bis hin zu einem hochdynamischen virtuellen Modell, das präzise Auswertungen und zuverlässige Vorhersagen ermöglicht. Oft ist zwar eine wahre Echtzeit-Datensynchronisation aufgrund von gewissen Einschränkungen der IT-Infrastruktur und/oder aus Sicherheitsgründen nicht möglich. Durch systematische Synchronisation der Netzdaten kann ein digitaler Zwilling dennoch ideal für Gestaltungs- und Planungszwecke eingesetzt werden.

Je genauer das virtuelle Abbild eines echten Systems ist, desto präziser sind auch die Schlussfolgerungen und Entscheidungen, die ein digitaler Zwilling uns ermöglicht. In diesem Zusammenhang unterscheiden manche Experten zwischen drei Arten eines digitalen Modells:

echten digitalen Zwillingen, die auf „potenziell proprietäre und vertrauliche Daten“ zugreifen, um das physische System so genau wie möglich virtuell abzubilden;
digitalen Geschwistern, die offen zugängliche Daten verwenden, um eine statistisch repräsentative Abbildung des realen Systems zu schaffen;
digitalen Cousins, die kein konkretes System abbilden und lediglich zu spekulativen Zwecken eingesetzt werden.

Diese Unterscheidung ist im Kontext der Stromnetze wichtig zu beachten. Die Netzdaten sind zum Teil sehr sensibler Natur, daher werden für Forschungs- und Entwicklungszwecke oft die sogenannten digitalen Geschwister verwendet. Für die Praxis hat dies einen offensichtlichen Nachteil, denn eine statistisch repräsentative Abbildung eines Stromnetzes darf für Entscheidungen, die eine große Tragweite haben, nicht genügend sein.

Vorteile des digitalen Zwillings für Stromversorger

Unser Stromsystem ist eins der komplexesten physischen Systeme, die von der Menschheit je geschaffen wurden. Die Technologie des digitalen Zwillings bietet dabei ein großes Potential, dieses System zu transformieren, indem seine Komplexität verständlich erfasst und in erkenntnisbasierte Handlungsempfehlungen übersetzt wird.

Das Konzept des digitalen Zwillings wird oft als entscheidendes Element der sogenannten intelligenten Stromnetze angesehen, um eine dynamische Überwachung, Auswertung und deutlich bessere Entscheidungsfindung zu ermöglichen. Dadurch kann man solche Prozesse wie Analyse der Netzstabilität und -engpässe, Netzplanung und Modellierung der Versorgungsaufgabe, die historisch meist offline und manuell durchgeführt wurden – und aufgrund dessen natürlich fehleranfällig waren – nun größtenteils oder sogar vollständig automatisieren.

Digitaler Zwilling der Stromnetze vs. klassische Netzsimulation und Netzmodellierung

Nun stellt sich die Frage, wie sich ein digitaler Zwilling der Verteilnetze von der klassischen Netzsimulation bzw. Netzmodellierung unterscheidet. Bei den beiden Ansätzen handelt es sich um eine digitale Darstellung eines realen physischen Objekts oder Systems. Das ist soweit nichts Neues. Netzsimulationen bzw. Netzmodellierungen werden von Netzbetreibern schon seit geraumer Zeit genutzt, um mögliche Engpässe und Hindernisse bei der Planung und Netzentwicklung zu identifizieren.

Der Hauptunterschied liegt jedoch in den jüngsten Iterationen der digitalen Zwillinge. Gartner fasst deren Hauptmerkmale folgendermaßen zusammen:

Die virtuellen Modelle, die einen digitalen Zwilling als Basis nutzen, sind robuster
Digitale Zwillinge haben eine direkte Verbindung zur realen Welt, potenziell in Echtzeit
Die Kombination von Prozessdaten mit Umgebungsdaten (= Kontextdaten) macht die Anwendung von erweiterter Big-Data-Analyse und KI effektiver
Die Datenvollständigkeit ermöglicht eine bessere Kommunikation mit den virtuellen Modellen und eine noch genauere Bewertung von „Was-wäre-wenn“-Szenarien

Klassische Simulationen sind eher statischer Natur. Vorausgesetzt, dass sie aktuelle Daten eingespeist bekommen haben, können solche Simulationen zwar ziemlich präzise Vorhersagen treffen. Sie würden auch die Durchführung verschiedener hypothetischer Szenarien mit mehreren Variablen ermöglichen. Ihnen fehlt jedoch das Element der Echtzeit. In diesem Sinne sind klassische Simulationen wie die sogenannten ‘digitalen Geschwister’ – lediglich statistisch repräsentative Abbildungen.

Digitale Zwillinge hingegen reagieren dynamisch auf Veränderungen im physikalischen System und ermöglichen somit eine ereignisgesteuerte Automatisierung. Vorausgesetzt, dass es bestimmte Ereignisse in den Stromnetzen „abonniert“ hat, kann ein solches virtuelle Modell sich je nach Veränderungen in Echtzeit selbst aktualisieren und darauf entsprechend reagieren. So kann es zum Beispiel eine Störung im Netzwerk entweder komplett automatisch beseitigen oder dem Fachpersonal die erforderliche Unterstützung bei der Entscheidungsfindung bereitstellen.

Darüber hinaus wird die traditionelle Netzmodellierung größtenteils auf Basis von sogenannten Simplifications, also Vereinfachungen, durchgeführt. Dabei werden nur einige wenige repräsentative Netzabschnitte ausgewählt, um ein generisches digitales Netzmodell aufzubauen, das anschließend zum Beispiel für Netzstudien oder Netzplanung verwendet wird. Die Ergebnisse werden dann systemweit extrapoliert. Ein solcher Ansatz ist naturgemäß fehleranfällig, da er die Komplexität des heutigen Energiesystems nicht angemessen widerspiegeln kann.

Die Technologie des digitalen Zwillings ermöglicht es hingegen, ein digitales Abbild der gesamten Stromnetzinfrastruktur zu erstellen, einschließlich der verteilten Stromerzeuger und Lasten sowie anderer Stromnetz-Komponenten, was eine wesentlich zuverlässigere und realitätsgetreuere Darstellung der Netzzustände gewährleistet. Dadurch erhöht sich die Genauigkeit jeglicher Analysen und Simulationen um ein Vielfaches.

Welche Einsatzmöglichkeiten gibt es für digitale Zwillinge im Bereich Verteilnetze?

#1: Transparenz des Stromverteilungsnetzes erhöhen, um die Netzstabilität dauerhaft gewährleisten zu können

Die wachsende Anzahl an PV-Dachanlagen, Wärmepumpen und Ladestationen für Elektroautos macht die Netztopologie komplexer und unser Energiesystem dezentraler und vernetzter denn je. Das wirkt sich auf die Transparenz des Stromverteilungsnetzes aus, denn das ganze System wird dadurch deutlich unübersichtlicher. Außerdem wird es zunehmend schwieriger, Störungen bei z.B. Lastflussumkehr, Rückspeisung, fluktuierenden und bidirektionalen Lastflüssen oder Spannungsbanderhöhungen an Einspeisepunkten zu lokalisieren, um gezielt einzugreifen.

In diesem Kontext kann ein digitaler Zwilling der Verteilnetze eine entscheidende Rolle dabei spielen, mehr Sichtbarkeit über den aktuellen Netzzustand zu schaffen und die Stabilität des Netzes eng zu überwachen. Dadurch wird es den Verteilnetzbetreibern ermöglicht, ein solch komplexes System effektiv zu verwalten und einen reibungslosen Betrieb zu sichern.

Wenn beispielsweise genügend Überwachungsdaten in Echtzeit vorliegen – zum Beispiel von intelligenten Messsystemen in privaten Haushalten oder von Ortsnetztransformatoren –, können Controller mithilfe eines digitalen Zwillings ihres Verteilnetzes einen umfassenden Überblick über den Netzstatus in einem bestimmten Bereich gewinnen. Auf diese Weise können sie frühzeitig eingreifen und Spannungen durch Wechselrichter oder andere ferngesteuerte Systeme regulieren, um Überlastungen im Netz zu lindern oder sogar zu verhindern.

#2 Bessere Netzverfolgung gewährleisten, um bestehende Netze zu verstärken sowie Zielnetzplanung effektiver zu gestalten

Ferner kann ein digitaler Zwilling die Verteilnetzbetreiber bei der Planung von Netzverstärkungs- und Netzausbaumaßnahmen sowie der Wartung von Betriebsmitteln unterstützen. Durch die Kombination der aktuellen Netzdaten mit historischen Informationen und detaillierten digitalen Modellen können die Netzbetreiber den Zustand des Netzes und dessen Komponenten genau analysieren oder in einigen Fällen sogar voraussagen und proaktive Maßnahmen ergreifen.

Insbesondere bei der Netzplanung, sowohl der kurz- als auch langfristigen, ist es unerlässlich, akkurate und vollständige Modelle der Netze zu haben. Dafür kombiniert der digitale Zwilling die physikalischen Modelle eines Verteilnetzes mit den relevanten Prozess- und Umgebungsdaten und bietet somit eine nahezu perfekte virtuelle Kopie des realen Systems. Wenn darüber hinaus mehrere Spannungsebenen im Spiel sind, ermöglicht der digitale Zwilling eine netzübergreifende Modellierung und dadurch eine wesentlich bessere Netzverfolgung sowohl in der Niederspannung als auch in der Mittelspannung.

Dies ermöglicht es Netzbetreibern, unterschiedliche Experimente wie potenzielle Netzverstärkungsmaßnahmen zu simulieren – zum Beispiel den Austausch von aktuellen Erdkabeln durch leistungsstärkere –, verschiedene Szenarien und deren Potenziale zu bewerten und anschließend die Umsetzungsmöglichkeiten in einer risikofreien digitalen Umgebung genau zu analysieren.

Darüber hinaus können die Netzbetreiber die Maßnahmen zum Netzausbau effektiver priorisieren, wenn sie einen ganzheitlichen Überblick über sowohl aktuelle als auch geplante Standorte alternativer Stromerzeuger und -verbraucher sowie über deren Eingangs- und Ausgangsleistung haben.

#3 Den Automatisierungsgrad erhöhen, um den Auswirkungen des Fachkräftemangels entgegenzuwirken

Oftmals bedarf es schneller Entscheidungen, um eine sichere und zuverlässige Stromversorgung zu gewährleisten; zum Beispiel, um im Notfall einen Spannungseinbruch zu verhindern. In der Vergangenheit konnte man sich auf die erfahrenen Netzbetreiber verlassen, solche raschen und qualifizierten Entscheidungen zu treffen. Auch bei erfahrenen Netzplanern wurde oft auf deren Bauchgefühl vertraut, wenn es darum ging, was, wann und wo ausgebaut werden sollte.

Die zunehmende Netzkomplexität, alternde und aus dem Berufsleben ausscheidende Arbeitskräfte und die Notwendigkeit, das gesamte Energiesystem regelrecht zu transformieren – all das schafft jedoch völlig neue Herausforderungen. So stehen der Fachkräftemangel und die alternde Belegschaft bei dem kürzlich veröffentlichten Power Grids Research Report von DNV unter den Top fünf größten Hindernissen für eine schnellere Energiewende.

In diesem Zusammenhang kann ein digitaler Zwilling für weniger erfahrene Fachkräfte die Rolle eines Beratungs- und Unterstützungstools übernehmen, wenn eine komplexe und zeitkritische Entscheidung gefragt ist. Selbstverständlich muss man in solchen Fällen besonders darauf achten, dass die Datensätze, die für sämtliche Berechnungen eingespeist werden, vollständig und sauber sind.

Alternativ kann eine dynamische Netzsimulation auf Basis des digitalen Zwillings ebenso gut den neuen oder weniger erfahrenen Netzbetreibern als Schulungs- und Lehrwerkzeug dienen. So können verschiedene potenzielle Fehlerfälle bei Netzstörungen, Cyber-Angriffe, sowie andere kritische Ereignisse simuliert oder sogar vergangene Ausfälle analysiert werden. Je mehr neue Fachkräfte mit solchen Simulationen geschult werden, desto schneller können sie bei einem tatsächlichen Notfall in der Zukunft korrekt eingreifen.

Darum sind digitale Zwillinge für die Verteilnetze so wichtig

Unser Energiesystem wird zweifellos immer komplexer, wo jede Komponente enorme Datenmengen liefert. Dezentrale Energieerzeugungs- und -verbrauchssysteme, mit Sensoren ausgestattete Betriebsmittel und intelligente Messsysteme – all das trägt zur Komplexität bei und macht eine effiziente Betriebsführung schwieriger. Darüber hinaus fällt die Transparenz insbesondere in der Niederspannung historisch mangelhaft aus.

Genau aus diesem Grund ist es entscheidend, für eine genaue Darstellung der Netzzustände zu sorgen, und zwar zu jedem gegebenen Zeitpunkt und bei jedem einzelnen Netzstrang. Denn nur so kann man Netzengpässe dauerhaft vermeiden, einen reibungslosen Betriebsablauf gewährleisten und wohlbedachte Entscheidungen darüber treffen, wo Verstärkung bzw. Ausbau des Netzes am dringlichsten erforderlich ist.

In diesem Zusammenhang bieten Daten aus intelligenten Zählern eine unschätzbare Grundlage für ein besseres Verständnis der Hochlastzeiten, des Verbraucherverhaltens, und der Stromflüsse entlang des Netzes. Allerdings müssen diese Daten in handlungsfähige Erkenntnisse übersetzt werden, um die Netzstabilität und Versorgungssicherheit zu gewährleisten.

Und genau darin liegt der größte Vorteil der digitalen Zwillinge. Diese Technologie ermöglicht es, verschiedene Datenquellen wie intelligente Zähler, GIS, ERP, SCADA, ADMS usw. zu kombinieren, um eine einzige zuverlässige Informationsquelle für Netzbetreiber zu schaffen. Ein rechenfähiges Netzmodell auf Basis des digitalen Zwillings ist außerdem in der Lage, auf verschiedene Ereignisse wie veränderte Wetterbedingungen oder Lasten dynamisch zu reagieren. So können auch die Transparenz und Sichtbarkeit des Energiesystems auf eine ganzheitliche Weise erhöht werden.

Außerdem erleichtert es auch die Planung von Netzverstärkungs- und -ausbaumaßnahmen, da ein digitaler Zwilling ein genaues und immer aktuelles Abbild der Situation im Netz liefert.

Die Energiewende ist bereits in vollem Gange. Die Versorgungsindustrie steht jedoch vor zu vielen Herausforderungen, um sie in dem erforderlichen Umfang zu unterstützen. Die Technologie des digitalen Zwillings ermöglicht es dagegen, alle Komponenten des Energiesystems von den erneuerbaren Energie-Erzeugungssystemen bis hin zum Prosumer miteinander zu integrieren. Dadurch werden die Verteilnetzbetreiber auf die neuen Herausforderungen am effektivsten reagieren können.

Dieses Projekt wird im Zuge des Renewable-Energy-Solutions-Programms der Exportinitiative Energie des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz gefördert.

Deutsche Energie-Agentur (dena)

Die Deutsche Energie-Agentur (dena) ist ein Kompetenzzentrum für angewandte Energiewende und Klimaschutz. Die dena betrachtet die Herausforderungen einer klimaneutralen Gesellschaft und unterstützt die Bundesregierung beim Erreichen ihrer energie- und klimapolitischen Ziele. Seit ihrer Gründung im Jahr 2000 entwickelt die Agentur Lösungen, setzt diese in die Praxis um und bringt Partner aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und allen Teilen der Gesellschaft zusammen – national wie international. Die dena ist eine Projektgesellschaft und ein öffentliches Unternehmen im Bundeseigentum. Gesellschafter sind die Bundesrepublik Deutschland und die KfW Bankengruppe.
www.dena.de

Exportinitiative Energie

Mit dem Ziel, deutsche Technologien und Know-how weltweit zu positionieren, unterstützt die Exportinitiative Energie des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) Anbieter von klimafreundlichen Energielösungen bei der Erschließung von Auslandsmärkten. Im Fokus stehen hierbei die Bereiche erneuerbare Energien, Energieeffizienz, intelligente Netze und Speicher sowie auch Technologien wie Power-to-Gas und Brennstoffzellen. Das Angebot richtet sich insbesondere an kleine und mittlere Unternehmen und unterstützt die Teilnehmenden durch Maßnahmen zur Marktvorbereitung sowie bei der Marktsondierung, -erschließung und -sicherung.
www.german-energy-solutions.de

Renewable-Energy-Solutions-Programm (RES-Programm)

Mit dem RES-Programm unterstützt die Exportinitiative Energie des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) deutsche Unternehmen der Erneuerbare-Energien- sowie Energieeffizienz-Branche bei der Erschließung neuer Absatzmärkte. Im Rahmen des Programms werden Referenzanlagen in einem Zielmarkt errichtet und mit Unterstützung der Deutschen Energie Agentur (dena) öffentlichkeits- und werbewirksam vermarktet. Durch Informationsvermittlung sowie Schulungsaktivitäten wird die Nachhaltigkeit des Markteintritts gefördert und die Qualität klimafreundlicher Technologien aus Deutschland demonstriert.
www.german-energy-solutions.de/res-programm.html