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02/03/2025 10:27

Stabilität von Versorgungsnetzen mit viel erneuerbarer Energie bewertbar machen: Projektstart TenSyGrid

Inna Eck Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES

Hamburg – Die Anforderungen an das elektrische Versorgungsnetz in Europa wandeln sich tiefgreifend: Immer mehr dezentrale Einspeisepunkte und die fluktuierende Einspeisung durch Erneuerbare Energien machen die Interaktionen von Stromnetzkomponenten komplexer. Daher entwickeln im Projekt TenSyGrid das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES, die Universitat Polytècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC), eRoots Analytics, die Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW) und die University of Malta (UM) eine Toolbox für die direkte Stabilitätsbewertung mithilfe multilinearer Modelle von Stromnetzkomponenten.

Dadurch sollen Netzbetreiber bei der Verwaltung großer Stromnetze, die vollständig mit erneuerbaren Energien betrieben werden, unterstützt werden. Die Toolbox soll mit vorhandenen kommerziellen Softwarepaketen kompatibel sein. Das Projekt startete im Dezember 2024 und wird im Rahmen der EU-Initiative Clean Energy Transition Partnership (CETP) vom BMWK Deutschland, MICIU, AEI, CDTI Spanien und XJENZA Malta gefördert.

Der höhere Stromanteil erneuerbarer Energien in den Verteil- und Übertragungsnetzstrukturen lässt die Anforderungen an die Netzintegration steigen. Traditionelle Herangehensweisen, die vereinfachte Stromnetzsimulationen ermöglichen, können das schnelle Übergangsverhalten von massiv eingesetzter Leistungselektronik der regenerativen Quellen nicht abbilden. Infolgedessen bestehen Unsicherheiten hinsichtlich der sich hieraus ergebenden Energiesystemdynamik von wandlerdominierten Netzwerken mit geringer Trägheit. Es werden konservative Grenzwerte als Vorsichtsmaßnahme festgelegt, um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten. Dies schränkt den Ausbau erneuerbarer Energiequellen ein.

Derzeit können nur Simulationen alle Szenarien berücksichtigen. Die hierfür verwendeten Elektromagnetische-Transientenmodell (EMT)-Simulationen sind jedoch rechenintensiv, da jeweils mehrere hundert Szenarien berücksichtigt werden müssen. Somit sind EMT-Simulationen von groß angelegten Netzwerken derzeit nicht praktikabel.

Im Verbundforschungsprojekt TenSyGrid (Tensors for System Analysis of Converter-dominated Power Grids) sollen diese EMT-Simulation mittels multilinearer Modelle unterstützt werden. Die Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC), eRoots Analytics, die Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW), die University of Malta und das Fraunhofer IWES als Koordinator des Projektes bündeln dafür ihre Kompetenzen. Beim Projekt-Kick-off im Dezember 2024 sprachen die Partner über ihre Perspektiven und Ziele für das Projekt.

Dr. Carlos Cateriano Yáñez, Projektkoordinator am Fraunhofer IWES, erläutert: »Im Projekt wird sichergestellt, dass der Modellierungsrahmen für sehr große Stromversorgungssysteme skalierbar und leicht aktualisierbar ist, um laufende Änderungen im Netz widerzuspiegeln. Schließlich zielt TenSyGrid darauf ab, Tools zu entwickeln, die sich nahtlos in bestehende kommerzielle Software integrieren lassen.« Dadurch werden die neuen Methoden für Betreiber zugänglich, ohne dass wesentliche Änderungen an den aktuellen Systemen erforderlich sind.

Prof. Eduardo Prieto-Araujo, Projektkoordinator an der UPC, erklärt: »Die Stromversorgungssysteme der Zukunft werden sich grundlegend von den traditionellen Netzen der vergangenen Jahrzehnte unterscheiden. Die massive Integration von leistungselektronikbasierter erneuerbarer Erzeugung, Speicherung und Lasten verändert die modernen Stromversorgungssysteme grundlegend. Um dieser Entwicklung gerecht zu werden, benötigen wir fortschrittliche Tools, mit denen sich diese Netze zuverlässig und effizient modellieren und analysieren lassen. Multilineare Systeme stellen eine interessante Alternative dar, um die Eigenschaften moderner Stromversorgungssysteme genau zu erfassen, und bieten innovative Methoden zur Unterstützung des Echtzeitbetriebs von Stromnetzen.«

M.Sc. Josep Fanals i Batllori, CEO und Projektleiter bei eRoots, hebt die Möglichkeiten hervor, die sich aus multilinearen Modellen ergeben können: »Während Studien zur Stabilität von Stromversorgungssystemen traditionell durch rechenintensive dynamische Simulationen gekennzeichnet waren, haben multilineare Modelle in Verbindung mit innovativen analytischen Algorithmen das Potenzial, die Durchführung solcher Studien neu zu definieren. Stromnetze können somit zu einem fruchtbaren Boden für die Anwendung der grundlegenden mathematischen Konzepte werden, auf denen TenSyGrid basiert, da die ihnen zugrunde liegenden nichtlinearen Gleichungen einem multilinearen Format ähneln.« TenSyGrid birgt nicht nur spannende Herausforderungen, sondern auch das Potenzial, ein transformatives Werkzeug für die Branche zu schaffen.

An der HAW freut sich Prof. Gerwald Lichtenberg auf das Projekt: »Nach fast zehn nationalen Projekten, in denen der Ansatz der multilinearen Modellierung entwickelt, erweitert und erfolgreich auf verschiedene Probleme wie Reglerentwurf, Anomalieerkennung oder Fehlerdiagnose, insbesondere im Bereich der Energiesysteme, angewendet wurde, bietet TenSyGrid nicht nur die Möglichkeit, diese Methoden in Europa bekannt zu machen und zu verbreiten, sondern auch, sie für die besonderen Anforderungen von Stromnetzen zu schärfen.«

Prof. John Licari, Projektkoordinator an der UM, betont: »Die Integration erneuerbarer Energiesysteme in Stromnetze stellt für Netzbetreiber eine große Herausforderung dar. Die intermittierende Natur erneuerbarer Energiequellen und die Einführung von Leistungselektronik-Wandlern erfordern fortschrittliche Lösungen, um eine zuverlässige Netzfunktion zu gewährleisten. Alternative innovative, schnelle und genaue Modellierungswerkzeuge erleichtern den Betrieb von Stromnetzen, indem sie potenzielle Probleme erkennen, bevor sie sich ausweiten. Diese transformative Technologie wird es den Betreibern ermöglichen, die Komplexität der Integration erneuerbarer Energien zu bewältigen, die Widerstandsfähigkeit des Netzes zu verbessern und den Weg für eine nachhaltige Energiezukunft zu ebnen.«

Im Vergleich zur klassischen EMT-Simulation wird im Projekt TenSyGrid ein komplett neuer Ansatz gewählt: Das Stromnetz wird als multilineares Modell mittels Tensoren abgebildet. Diese Modelle können die relevanten Phänomene von Umrichter-dominierten Stromnetzen abbilden, sind dabei aber deutlich weniger rechenintensiv als klassische Modelle. Gleichzeitig haben sie eine hohe Interpretierbarkeit. Durch die Verwendung dieses innovativen multilinearen Modellierungsrahmens zielt TenSyGrid darauf ab, die Echtzeit-Stabilitätsbewertungen von Stromnetzen in einem Ausmaß zu ermöglichen, das zuvor nicht praktikabel war.
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Ansprechpartner Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES
Projektkoordination, Dr. Carlos Cateriano Yáñez, Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon +49 471 14290-493
E-Mail: carlos.cateriano.yanez@iwes.fraunhofer.de
www.iwes.fraunhofer.de
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Fraunhofer IWES
Das Fraunhofer IWES entwickelt innovative Methoden, den Ausbau der Windenergie- und Wasserstoffwirtschaft zu beschleunigen, die Risiken zu minimieren und die Kosteneffizienz zu steigern. Innovationen in technologische Weiterentwicklungen werden durch Validierung abgesichert und Innovationszyklen verkürzt. Planung und Entwicklung von Offshore Windparks werden beschleunigt und präzisiert. Derzeit sind mehr als 300 Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftler und Angestellte sowie über 100 Studierende an neun Standorten beschäftigt: Bochum, Bremen, Bremerhaven, Görlitz, Hamburg, Hannover, Leer, Leuna und Oldenburg.

CITCEA-UPC - Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC)
CITCEA-UPC ist ein Technologietransferzentrum an der UPC, das sich auf Energie, Leistungselektronik und industrielle Automatisierung spezialisiert hat. Es verbindet Spitzenforschung mit praktischen Anwendungen, um Innovationen in den Bereichen erneuerbare Energiesysteme, intelligente Stromnetze und fortschrittliche Regelungssysteme voranzutreiben. Das Zentrum arbeitet mit der Industrie zusammen, um nachhaltige, effiziente und zuverlässige Lösungen zu entwickeln. Mit einem multidisziplinären Team von Expertinnen und Experten schlägt CITCEA-UPC eine Brücke zwischen Wissenschaft und Industrie und fördert den Wissenstransfer und technologische Fortschritte. Die Projekte von CITCEA-UPC konzentrieren sich auf die Bewältigung globaler Herausforderungen im Bereich der Energiewende und der digitalen Transformation. Das Zentrum ist Mitglied des TECNIO-Netzwerks und wird von der AGAUR, Generalitat de Catalunya, als Forschungsgruppe anerkannt.

eRoots Analytics
eRoots Analytics entwickelt Software für moderne Stromversorgungssysteme, um einige der bedeutendsten Herausforderungen in der Planungs- und Betriebsphase anzugehen. Der Kern der Entwicklungen von eRoots basiert auf GridCal, einem Open-Source-Paket, das auf die stationäre Analyse von Stromnetzen abzielt. Das Unternehmen verfügt auch über Expertise in der Modellierung, Regelung und Simulation von Stromrichtern. eRoots wurde 2022 als Spin-off von CITCEA-UPC gegründet und hat seinen Sitz in Barcelona. Derzeit beschäftigt eRoots über 14 Ingenieurinnen und Ingenieure.

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW)
Nachhaltige Lösungen für die gesellschaftlichen Herausforderungen von heute und morgen zu entwickeln – das ist das Ziel der Hochschule für Angewandte Wissenschaften (HAW) Hamburg. Sie wurde 1970 gegründet und ist heute die zweitgrößte akademische Bildungseinrichtung in Hamburg, die viertgrößte staatliche Fachhochschule in Deutschland und Mitglied der UAS7-Allianz in Deutschland sowie des europäischen CARPE-Netzwerks.
Rund 16.000 Studierende, davon mehr als 2.000 internationale, sind in 37 Bachelor- und 35 Masterstudiengängen eingeschrieben. Die Lehrveranstaltungen werden von mehr als 400 Professorinnen und Professoren gehalten, die von rund 1.000 Mitarbeitenden unterstützt werden.
Die wichtigsten Forschungsbereiche sind: Energie und Nachhaltigkeit, Gesundheit und Ernährung, Mobilität und Verkehr sowie Information, Kommunikation und Medien. Rund 200 Promovierende arbeiten derzeit an der HAW in Kooperationen mit nationalen und internationalen Universitäten.

University of Malta (UM)
Die Universität Malta blickt auf eine 400-jährige Geschichte zurück und zählt über 11.500 Studierende, darunter 1.000 ausländische/Austauschstudierende aus fast 92 verschiedenen Ländern, die Vollzeit- oder Teilzeitstudiengänge und Diplomkurse belegen. Jedes Jahr schließen 3.500 Studierende ihr Studium ab. Die UM besteht aus 14 Fakultäten und mehreren interdisziplinären Instituten und Zentren. Dieses Projekt wird vom Department Elektrotechnik koordiniert, der Teil der Fakultät für Ingenieurwissenschaften an der UM ist. Das Department ist führend in der Forschung in verschiedenen Bereichen der Elektrotechnik. Die akademischen Mitarbeitenden sind aktiv an der Spitzenforschung in folgenden Bereichen beteiligt: Elektrische Transportmittel (Land, See, Luft); Microgrids und Smart Grids; Leistungselektronische Wandler; erneuerbare Energiesysteme zur Netzintegration; Elektrische Antriebe; Energieeffizienz in privaten, gewerblichen und industriellen Anwendungen; Stromqualität und EMV. Die Abteilung ist in einer Reihe von Konferenzen und internationalen Netzwerken aktiv, veröffentlicht in bedeutenden Fachzeitschriften und beteiligt sich an internationalen Projekten.
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Förderhinweis
Diese Forschung wurde von CETPartnership, der Clean Energy Transition
Partnerschaft im Rahmen der gemeinsamen Aufforderung zur Einreichung von Forschungsvor-haben 2023, kofinanziert von der Europäischen Kommission (GA 101 069750) und mit den unter https://cetpartnership.eu/funding-agencies-and-call-modules aufgeführten Förderorganisationen.

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Contact for scientific information:

Ansprechpartner Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme IWES
Projektkoordination, Dr. Carlos Cateriano Yáñez, Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon +49 471 14290-493
E-Mail: carlos.cateriano.yanez@iwes.fraunhofer.de
www.iwes.fraunhofer.de

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Das Projekt-Konsortium beim Kick-off-Meeting im Dezember 2024 in Hamburg

© Fraunhofer IWES

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Das TenSyGrid-Projektlogo

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Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Electrical engineering, Energy, Environment / ecology, Oceanology / climate
transregional, national
Research projects
German

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