Autonome Systeme für eine voranschreitende Energiewende - Transforming Economies

Prof. Dr. Peter LiggesmeyerFraunhofer-Institut für Experimentelles Software Engineering IESE

Soll Deutschland bis 2050 klimaneutral werden, ist es noch ein weiter Weg. Dem Ausbau der regenerativen Energien kommt dabei eine Schlüsselposition zu – doch nicht nur ihnen. Denn: Ohne autonome Steuerungssysteme für das Energienetz wird die Energiewende nicht gelingen.

Auf den ersten Blick mag es wie ein Erfolg aussehen: Die Treibhausgasemissionen sind in Deutschland im vergangenen Jahr erheblich zurückgegangen – die Bundesrepublik übertrifft sogar die ursprünglich für 2020 gesetzte Klimaschutz-Zielmarke.

Laut einer Analyse des Thinktanks Agora Energiewende wurden im vergangenen Jahr demnach 80 Millionen Tonnen weniger CO2 emittiert als noch im Vorjahr. Statt – wie für 2020 angesetzt – die klimaschädlichen Treibhausgase um 40 Prozent gegenüber dem Referenzjahr 2019 zu reduzieren, gelang der Bundesrepublik eine Senkung um 42,3 Prozent.

Dabei hatte die Lage noch im früheren Jahresverlauf alles andere als erfreulich ausgesehen. Ohne die COVID-19-Pandemie und ihre Folgen in Form von Lockdowns, reduziertem Verkehrsaufkommen und niedrigerem Energieverbrauch wäre das Klimaschutzziel in unerreichbare Ferne gerückt. An Ausruhen ist in puncto Energiewende vor diesem Hintergrund also keineswegs zu denken – im Gegenteil.

Will die Bundesregierung auch ihre mittel- und langfristig gesteckten Klimaziele erreichen, gibt es noch viel zu tun. Im Rahmen des „Green Deal“ hatte die EU-Kommission ihr vorgeschlagenes Klimaschutzziel für 2030 zuletzt nochmals verschärft: Bis Ende des laufenden Jahrzehnts sollen die CO2-Emissionen inzwischen um 55 Prozent statt um 40 Prozent gegenüber 1990 gesenkt werden; und das ist auch gut so.

Kritik am Klimaschutzprogramm 2030

Die Herausforderung ist immens, gilt es dafür doch, das gesamte Energiesystem auf den Kopf zu stellen. Das 2019 von der Bundesregierung verabschiedete Klimaschutzprogramm 2030 folgt dabei einem augenscheinlich simplen Prinzip: Auf klimaschädliche Heiz- und Kraftstoffe wie Erdgas, Kohle, Heizöl, Benzin oder Diesel wird eine CO2-Steuer erhoben; mit den auf diese Weise neu generierten Einnahmen sollen dann wiederum energieeffiziente Technologien und regenerative Energien gefördert werden. Die CO2-Bepreisung ist seit Januar dieses Jahres in Kraft.

Schon direkt nach Veröffentlichung des Programms erntete der Plan vielerorts Kritik. Gut ein halbes Jahr später musste sich die Bundesregierung schließlich selbst eingestehen: Die Maßnahmen werden nicht ausreichen, um den Klimaverpflichtungen nachzukommen. Was nun?

Keine Frage, die Umstellung auf regenerative Energien ist unabdingbar und stellt einen wichtigen Baustein für den Erfolg der Energiewende dar. Werden alternative Energiequellen entsprechend mehr gefördert, wird hoffentlich auch die Transformation schneller voranschreiten. Laut aktuellen Berechnungen lag der Anteil der Erneuerbaren Energien 2020 zumindest bereits bei rund 46 Prozent des gesamten Stromverbrauchs.

Herausforderungen im Zuge „grüner“ Energienetze

So weit, so gut. Was bei der aktuellen Debatte jedoch noch zu wenig Berücksichtigung findet, ist die Frage: Wie können die Energiebereitstellung und der -verbrauch vor Ort so geregelt werden, dass wir künftig sogar gänzlich auf Kohle, Erdgas und Heizöl verzichten können?

Für die Beantwortung bedarf es eines kurzen Rückblicks: Wurde der Strom früher noch in wenigen Großkraftwerken erzeugt, über das Übertragungsnetz transportiert und mit Hilfe des Verteilnetzes zu den einzelnen Verbrauchern weitergeleitet, ist die Energieverteilung grüner Stromquellen heute deutlich komplexer.

So gilt es nicht nur, für sonnenarme Tage und Windflauten ausreichend Energie zwischengespeichert zu haben. Auch der Energieverbrauch der Privathaushalte lässt sich heutzutage wesentlich schwerer vorhersagen – und entsprechend schlecht planen.

Darüber hinaus muss das Stromnetz so aufgebaut sein, dass es mit der sich ständig verändernden Anzahl von Einspeisern und Verbrauchern umgehen kann: neben dem von Privathaushalten mittels Photovoltaik-Anlagen erzeugten Strom bis hin zu Großanlagen wie Windparks oder Solar-Freiflächenanlagen.

Und: Die regenerative Energie muss dort verfügbar sein, wo sie benötigt wird; egal ob im eher dünnbesiedelten Nordosten der Republik oder in den bevölkerungsreichen Regionen entlang des Rheintals.

Entwicklung autonomer Netzsteuerungssysteme

Angesichts der Unübersichtlichkeit der Netze und der Abhängigkeit von nicht lenkbaren Einflussfaktoren wie Sonnenschein und Wind wird deutlich: Die Steuerung der regenerativen Energiesysteme kann von Menschen nicht übernommen werden. Ihnen fehlen dafür schlichtweg die Übersicht und Reaktionsgeschwindigkeit. Diese Aufgabe müssen autonome Netzsteuerungssysteme übernehmen.

Im Gegensatz zu lediglich automatisierten Lösungen mit fest eingeprägten Verhaltensregeln sind autonome Systeme in der Lage, eigenständig zu handeln – und dabei auch auf unvorhergesehene Situationen reagieren zu können. Es handelt sich also um Systeme, die ihr Verhalten selbstständig an geänderte Rahmenbedingungen anpassen können.

Es ist zu erwarten, dass maschinelle Lernverfahren hier eine wichtige Rolle spielen werden. Die Idee ist, dass derartige Systeme im laufenden Betrieb dazulernen und sich so an die Änderungen anpassen.

Das Problem dabei: So nützlich es zum einen ist, die autonomen Systeme eigenverantwortlich handeln zu lassen, so problematisch ist dieser Faktor zum anderen im Hinblick auf ihre Verlässlichkeit. Es ist schwierig zu garantieren, dass die maschinellen Lernverfahren immer richtig reagieren.

Entsprechend stellt uns auch die Anwendung autonomer Systeme in Energienetzen zumindest derzeit noch vor ein durchaus kompliziertes Dilemma.

Deutschland als Spitzentechnologieland stärken

Die Forschung ist hierbei jedoch auf einem guten Weg und verzeichnet kontinuierlich Fortschritte. Das Thema der verlässlichen Steuerung der entstehenden Energiesysteme fällt in der politischen Diskussion hinter den natürlich sinnvollen Forderungen zur Steigerung der regenerativen Energieanteile allerdings zurück.

Die alleinige Konzentration auf den Ausbau regenerativer Energien wird die Energiewende auf kurz oder lang aber nicht gelingen lassen, wenn die Steuerung des Systems nicht geeignet mitbedacht wird.

Der erweiterte Fokus auf diesen Aspekt der Energiewende birgt auch in ökonomischer Hinsicht ein großes Potenzial. Gelingt es Deutschland, eine geeignete, funktionierende Lösung für eine autonom geregelte, ausbalancierte Steuerung des Energiesystems zu entwickeln, so würde das nicht nur zum Gelingen der Energiewende beitragen.

Auch im internationalen Kontext könnte die Wettbewerbsfähigkeit sowie die Position Deutschlands als Spitzentechnologieland nachhaltig gestärkt werden.

Wie die Bundesregierung bereits in Bezug auf das Klimaschutzprogramm 2030 deutlich macht: „Klimaschutz ist eine gemeinsame Kraftanstrengung“ – mit der Entwicklung autonomer Netzsteuerungssysteme könnten wir dazu einen entscheidenden Beitrag leisten; und das auch über die Landesgrenzen hinaus.