Mathematische Modelle für die Energiewende

Transregio an der FAU entwickelt neuartige mathematische Verfahren für die Gasnetze der Zukunft

Gas wird als Energieträger in den nächsten Jahrzehnten eine entscheidende Rolle zukommen. Doch wie kann man die deutschen Gasnetze für die wachsende Nachfrage bereitmachen? Das untersuchen Mathematiker der FAU, der TU Darmstadt, der TU und HU Berlin sowie dem WIAS Berlin im Transregio 154 „Mathematische Modellierung, Simulation und Optimierung am Beispiel von Gasnetzwerken“. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) hat die Förderung des Transregio nun um weitere vier Jahre verlängert.

Energiefragen stehen derzeit im Mittelpunkt des öffentlichen Interesses in Politik, Wissenschaft und Gesellschaft. Denn es gilt, zügig eine sichere, saubere und klimafreundliche Energieversorgung zu entwickeln und gleichzeitig mit Energie möglichst effizient umzugehen. Das betrifft nicht nur den Energieverbrauch, sondern auch den Transport und die Verteilung der Energieträger.

Bei der Energieversorgung der nächsten Zukunft wird Gas eine wichtige Rolle als kritische Ressource spielen: Es ist noch reichlich vorhanden, wird gehandelt und ist schnell verfügbar. Man kann es speichern, aktuell überschüssige erneuerbare Energien in Gas umwandeln und das Gas in Leitungsnetzen zum Verbraucher transportieren.

Gleichzeitig steht eine Gasversorgung, die auf die mit Unsicherheit behafteten technischen, energetischen, wirtschaftlichen und politischen Bedingungen zugeschnitten ist und gleichzeitig zuverlässig sein soll, vor erheblichen Problemen. Beispiele dafür sind die Transport- und Netztechnik oder die Marktregulierung. So müssen Gastransporteure nachweisen, dass sie innerhalb gegebener technischer Kapazitäten jeden regulär am Markt zustande gekommenen Vertrag erfüllen können.

Komplexe mathematische Verfahren miteinander integrieren

Um diese Aufgaben zu lösen, bedarf es neuer mathematischer Instrumente. Sie zu entwickeln, ist das Ziel des Sonderforschungsbereichs SFB/Transregio 154 (TRR 154) „Mathematische Modellierung, Simulation und Optimierung am Beispiel von Gasnetzwerken“. Er wurde an der FAU vor vier Jahren eingerichtet und nunmehr von der DFG verlängert. Die 17 Teilprojekte des Transregio erarbeiten neue Erkenntnisse in verschiedenen Bereichen der Mathematik. In den vergangenen vier Jahren hat der TRR 154 bereits neue Verfahren der mathematischen Simulation, Modellierung und Optimierung entwickelt. Das besondere Alleinstellungsmerkmal des Projekts besteht darin, dass diese Verfahren Kenntnisse aus unterschiedlichen Domänen der Mathematik verbinden. In der zweiten Projektperiode liegt ein Schwerpunkt bei der Integration und Weiterentwicklung von in der ersten Periode entstandenen grundlegenden Methoden und Verfahren mit dem Fokus darauf, vermehrt Markt- und Unsicherheitsaspekte zu integrieren. Ein in den Sonderforschungsbereich integriertes Graduiertenkolleg unterstützt die fachwissenschaftliche Ausbildung der Teilnehmenden. Sie sollen bestmöglich auf eine erfolgreiche Wissenschafts- oder Industriekarriere vorbereitet werden.

Durch die Liberalisierung der Gasnetze kann der Energieträger am Markt nahezu beliebig gehandelt werden. Anders als Strom, der nahezu in Echtzeit übertragen wird, braucht Gas aber wie eine Flüssigkeit Zeit für den Transport und unterliegt anderen physikalischen Dynamiken. Sie lassen sich nur mit fortgeschrittenen mathematischen Verfahren, wie sie im TRR 154 entwickelt werden, behandeln. Angestrebt wird, Randbedingungen bei den Marktmodellen so festzulegen, dass die Versorgungssicherheit gewährleistet ist, auch unter Berücksichtigung der Unsicherheiten und Schwankungen am Markt, zum Beispiel Nachfrageschwankungen.

Breit anwendbare Erkenntnisse und Methoden

Die neuen Methoden heben die mathematischen Grundlagen zur Lösung der oben beschriebenen Herausforderungen auf ein neues Qualitätsniveau. Zudem sind die gewonnenen mathematischen Erkenntnisse nicht nur auf Gasnetze, sondern auch auf andere physische Transportnetze, beispielsweise Wasser- oder Stromnetze, anwendbar. Sie eignen sich darüber hinaus ganz allgemein für gemischt-ganzzahlige, nicht lineare und stochastische Optimierungsprobleme und liefern damit mathematische Grundlagen für die Behandlung zahlreicher praxisrelevanter Fragen, aber auch neue mathematische Theorien und Methoden.

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Alexander Martin
Tel.: 09131/85-67163
alexander.martin@fau.de