Stellen Sie sich vor, Sie koordinieren den Verkehr durch den Gotthard-Autotunnel. Sie wissen, dass der Tunnel für normales Verkehrsaufkommen ausgelegt ist, aber nun stehen die Ferien vor der Tür, und die Wettervorhersage für das Tessin sieht hervorragend aus.
Sie könnten den zu erwartenden Stau vor dem Tunnel vermeiden, indem Sie Tickets für unterschiedliche Tageszeiten zu unterschiedlichen Preisen verkaufen oder den Fahrzeugen zufällige Zeitfenster zuweisen. Eine vom tatsächlichen Verkehrsaufkommen abhängige Geschwindigkeitsbegrenzung könnte den Fahrzeugdurchsatz weiter erhöhen, aber dafür bräuchten Sie Verkehrskameras und anpassbare Geschwindigkeitsschilder.
Trotzdem bleiben einige Fragen offen: Wie gehen Sie mit unvorhergesehenen Umständen um, die das Verkehrsaufkommen beeinflussen (z. B. wenn eine Strasse nördlich des Tunnels gesperrt ist)? Was ist, wenn ein Krankenwagen oder die Feuerwehr passieren muss? Wie können Sie die zu erwartenden Fahrzeiten vorhersagen? Und wie können Sie die Verspätung fair auf alle Verkehrsteilnehmer verteilen? Egal, für welche Massnahmen Sie sich entscheiden, eine optimale Lösung scheint in weiter Ferne zu liegen.
Der Tunnel steht für das Stromnetz
Das beschriebene Szenario ist eine Analogie zum Engpassmanagement im Stromnetz. Im obigen Beispiel stehen Autos für Strom und der Tunnel für das Netz selbst – Kabel und Freileitungen. Verkehrskameras entsprechen Messgeräten im Netz, und variable Geschwindigkeitsbegrenzungsschilder könnten als variable Leistungsbegrenzungen implementiert werden, mit denen die Netzbetreiber den Verbrauch oder die Produktion flexibler Kunden beeinflussen können. Flexible Kunden verfügen über einen Energiespeicher, der es ihnen ermöglicht, Energie nicht nur aus dem Netz, sondern auch aus ihrem Speicher zu beziehen, wodurch ihr Verbrauch aus dem Netz flexibel wird.
Mit der Umstellung auf ein erneuerbares Energiesystem wird eine zunehmende Anzahl grosser flexibler Stromverbraucher wie Wärmepumpen und Elektrofahrzeuge aus dem Stromnetz statt aus fossilen Brennstoffen versorgt. Dies erhöht die Auslastung der Netzinfrastruktur und führt ohne Gegenmassnahmen zu starken Lastschwankungen und eventuell sogar Netzüberlastungen, ähnlich wie bei Staus im Strassenverkehr. Wie können wir die bevorstehenden Engpässe in Zeiten hoher Auslastung effizient und fair bewältigen? Wir können nicht einfach grössere Kabel mit höherer Strombelastbarkeit verlegen: Das ist zu teuer und kann nicht schnell genug umgesetzt werden, um mit der Ausbaugeschwindigkeit Schritt zu halten, mit der wir neue Wärmepumpen und PV-Anlagen an das Netz anschliessen wollen.
Algorithmus ermöglicht höheren Energiedurchsatz
Heute gehen wir davon aus, dass Stromkonsumentinnen und -Konsumenten unflexibel sind, daher berücksichtigen wir bei der Dimensionierung des Netzes immer das Worst-Case-Szenario mit der höchstmöglichen Gesamtlast im Netz. Wenn wir den tatsächlichen Verbrauch überwachen und flexible Verbraucher fernsteuern könnten, könnten wir den durchschnittlichen Energiedurchsatz des bestehenden Netzes erhöhen, indem wir den flexiblen Verbrauch während Zeiten hoher Auslastung aktiv steuern.
Ausgehend von der Annahme, dass Mess- und Fernsteuerungssysteme vorhanden sind (analog zu dynamischen Geschwindigkeitsbegrenzungen im Tunnel), entwickeln wir einen Algorithmus, der einen höheren Energiedurchsatz im bestehenden Netz durch aktive Regelung ermöglicht, während gleichzeitig die zulässigen Grenzwerte für Strom und Spannung jederzeit eingehalten werden und die Einschränkungen fair auf alle flexiblen Verbraucher verteilt werden.
Staus auf ein Minimum reduzieren
Nun aber kehren wir zurück zu Ihrer Rolle als Tunnelverkehrskoordinator oder -koordinatorin: Der Algorithmus würde Ihnen helfen, indem er für jedes einzelne Fahrzeug eine individuelle Geschwindigkeitsbegrenzung festlegt, die auf dem beobachteten Verkehrsaufkommen im Tunnel basiert, während gleichzeitig die Anzahl der Fahrzeuge, die pro Stunde den Tunnel passieren, maximiert und die Fahrzeit jedes Einzelnen minimiert wird. Darüber hinaus verteilt der Algorithmus Geschwindigkeitsreduzierungen so fair wie möglich auf alle Verkehrsteilnehmenden. So werden Staus auf ein Minimum reduziert und die Menschen können ihre Ferien geniessen.
Dieser Text ist im Original auf Englisch im REAL-Lab des NCCR Automation erschienen.