Digitale Zwillinge als Schlüsseltechnologie für die Energiezukunft

Die Transformation des Energiesektors hin zu einer dekarbonisierten, dezentralen und digitalisierten Zukunft stellt Energieversorger weltweit vor signifikante Herausforderungen. Im Zentrum dieser Entwicklung steht die Optimierung der bestehenden Infrastruktur und die Integration neuer, oft volatiler, erneuerbarer Energiequellen. Ein Schlüsseltechnologie, die in diesem Kontext zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist der Digitale Zwilling.

Digitale Zwillinge als Katalysator für die Energiewende

Die National Grid, ein zentraler Akteur in der Energieversorgung, nutzt Digitale Zwillinge, um die Modellierung und Entwicklung ihrer Energieinfrastruktur zu optimieren. Der Übergang zu Netto-Null-Emissionen erfordert von Energieversorgern eine Neubewertung der Bedarfsprognosen und der Kapitalallokation. Infrastrukturplaner stehen vor der Aufgabe, riesige Datenmengen in verwertbare Erkenntnisse umzuwandeln, bevor die Netzkapazität zu einem Engpass wird.

Das „Triton“-Projekt: Eine Partnerschaft für Effizienz

In Zusammenarbeit mit Atos hat die National Grid das Projekt „Triton“ ins Leben gerufen. Diese Plattform zielt darauf ab, die Planung von Stromnetzen durch fortschrittliche Visualisierung und Datenintegration zu optimieren. Triton ist in der Lage, den Zeitaufwand für Entscheidungen zur Netzverstärkung erheblich zu verkürzen. Durch die Erstellung einer digitalen Replik der physischen Infrastruktur können Ingenieure komplexe Netzszenarien schnell simulieren. Projektangaben zufolge reduziert diese Fähigkeit die benötigte Zeit für die Analyse und Entscheidung über Netzverstärkungen um 70 Prozent. Das System kartiert zukünftige Anforderungen an spezifischen Netzanschlusspunkten und Übertragungsunterstationen und bietet die langfristige Übersicht, die erforderlich ist, um Investitionen gezielt einzusetzen. Dieser Ansatz ersetzt statische Planungsmodelle durch dynamische Simulationen, wodurch der Netzbetreiber die steigende Energienachfrage, die für die Dekarbonisierungsziele unerlässlich ist, unterstützen kann.

Owen Wilkes, Network Design Director bei National Grid, betont die Rolle von Innovation, Daten und Technologie bei der Beschleunigung der Dekarbonisierungsziele. Die Zusammenarbeit mit Atos habe ein Produkt geschaffen, das die National Grid in die Lage versetzt, Szenarien für den Ausbau ihres Netzes und ihrer Dienstleistungen virtuell zu modellieren, um der steigenden Energienachfrage gerecht zu werden und ein widerstandsfähiges, zukunftsfähiges Stromnetz zu gewährleisten.

Überwindung von Datenfragmentierung und Steigerung der Resilienz

Eine wiederkehrende Herausforderung bei Digitalisierungsprojekten ist die Fragmentierung von Daten über Altsysteme und externe Partner hinweg. Triton begegnet dieser Problematik, indem es Tausende von Datensätzen von Verteilnetzbetreibern (DNOs) und Übertragungsnetzbetreibern (TOs) konsolidiert. Die Digitale Zwillinge-Plattform automatisiert die Verarbeitung dieser vielfältigen Informationen und speist sie direkt in die Überwachungs- und Ingenieurwerkzeuge der National Grid für ihre Energieinfrastruktur ein. Diese Integration beschleunigt die Modellkonfiguration und erleichtert die schnellere Stresstests mehrerer Netzoptionen.

Graham Scanlon, Head of Critical National Infrastructure bei Atos UK&I, hebt hervor, dass dieses Tool die Effizienz verbessert und Risiken für die National Grid reduziert. Es ermöglicht schnelle, datengestützte Entscheidungen. Die Auszeichnung mit dem „Unlocking Data Award“ bei den Utility Week Awards 2025 für das Projekt von National Grid und Atos unterstreicht den branchenweiten Trend, bei dem Datenreife zunehmend mit operativer Resilienz und der Fähigkeit zur Förderung der Energiewende gleichgesetzt wird.

Auswirkungen auf die Konnektivität von Unternehmen

Über die internen Effizienzen für den Energieversorger hinaus hat der Einsatz von Digitalen Zwillingen für die Infrastrukturmodellierung direkte Auswirkungen auf kommerzielle Energieverbraucher. Die Plattform hilft dabei, den Bedarf an neuer Infrastruktur zu identifizieren und die Bewertung zukünftiger Kundenanschlüsse zu unterstützen. Das System hilft bei der Bewertung der Auswirkungen von Hochlastanschlüssen (wie Rechenzentren) und eingebetteter Erzeugung auf die lokale und regionale Netzkapazität. CTOs und Facility Manager, die große Computeranlagen oder erneuerbare Installationen planen, können die verbesserte Netzmodellierung für zuverlässigere Anschlusszeiten und Kapazitätszusagen nutzen.

Die Rolle von Digitalen Zwillingen in einem sich wandelnden Energiesektor

Die Entwicklung des Energiesektors ist von einer Reihe von Treibern geprägt, darunter die Notwendigkeit, Netto-Null-Ziele zu erreichen, das beschleunigte Lastwachstum, die zunehmende Verbreitung dezentraler Energiequellen und die Anpassung an den Klimawandel. Digitale Zwillinge bieten hier Lösungsansätze, indem sie präzisere Modelle für die Netzplanung und -steuerung bereitstellen.

Herausforderungen und Chancen am "Grid Edge"

Historisch gesehen war das Stromnetzdesign relativ einfach, mit vorhersehbaren Energieflüssen. Heute sind die Interkonnektionen komplexer, mit einem wachsenden Anteil an wetterabhängigen erneuerbaren Energien und einer zunehmenden Elektrifizierung von Lasten, wie Elektrofahrzeugen. Dies führt zu weniger vorhersehbaren Flüssen und erfordert eine Erweiterung des Digitalen Zwillings über den Zähler des Kunden hinaus. Datenschutzfragen und technische Herausforderungen bei der Integration dezentraler Geräte sind dabei zu berücksichtigen.

Energiespeicherung und Elektroverkehr

Energiespeichersysteme, insbesondere Batteriespeicher, spielen eine entscheidende Rolle beim Ausgleich von Angebot und Nachfrage. Die Modellierung dieser Systeme im Digitalen Zwilling erfordert ein Verständnis der Verbindungen und gegebenenfalls die Modellierung von Gleichstrom-Teilschaltkreisen. Der Elektroverkehr, mit seiner Mobilität und seinem sekundären Zweck im Vergleich zum Stromnetz, stellt ebenfalls eine komplexe Modellierungsherausforderung dar, bietet aber gleichzeitig ein enormes Potenzial für die Netzintegration durch Vehicle-to-Grid (V2G)-Interaktionen.

Enabler der Digitalen Zwillinge-Technologie

Um das volle Potenzial von Digitalen Zwillingen im Energiesektor auszuschöpfen, sind datenzentrisches Denken, verbesserte Sensormessungen, das Sammeln von Daten am "Grid Edge", der Austausch von Herstellerdaten, die Untersuchung mehrerer Repräsentationen und die Nutzung von Graphdatenbanken von entscheidender Bedeutung.

Datenzentrisches Denken und verbesserte Sensormessungen

Anstatt anwendungszentrisch zu agieren, ist ein datenzentrischer Ansatz, der auf einem unternehmensweiten Datenmodell basiert, vorzuziehen. Dies erleichtert den Datenaustausch und die Interoperabilität. Die Qualität und Zeitnähe von Sensordaten sind entscheidend für genaue Digitale Zwillinge. Standardisierte Datenformate, zeitnaher Zugriff und analysebereite Datensätze sind dabei zentrale Aspekte. Die IEC 62541-Serie (OPC-UA) und IEC 61850 sind Beispiele für Standards, die hierbei eine wichtige Rolle spielen können.

Datensouveränität und sektorübergreifende Brücken

Die Datensouveränität, insbesondere im Kontext des Austauschs sensibler Energiedaten über öffentliche Netzwerke und mit externen Partnern, erfordert sorgfältige Überlegungen. Zudem wird die Kopplung mit anderen Sektoren wie Erdgas, Elektroverkehr und grünem Wasserstoff zunehmen, was starke Interoperabilitätsstandards für den Datenaustausch erfordert. Digitale Zwillinge können hier umfassende Modelle für die Interaktionen zwischen diesen Systemen ermöglichen und so eine optimierte Betriebsführung und Planung unterstützen.

Realisierung von Ergebnissen und zukünftige Perspektiven

Digitale Zwillinge tragen maßgeblich zur Verbesserung der Netzplanung, zur erweiterten Prüfung und Schulung von Personal, zur Verfeinerung von Vorhersagealgorithmen, zur Implementierung flexibler Nachfrageprognosen und zur Steigerung der Netzzuverlässigkeit bei.

Verbesserte Netzplanung und -zuverlässigkeit

Durch detailliertere Digitale Zwillinge, die auch Modelle verteilter Ressourcen und deren Betriebs- und Störfallparameter umfassen, können präzisere Studien durchgeführt werden. Dies führt zu besseren Geräteeinstellungen und schützt sowohl die Ausrüstung als auch das System. Die Möglichkeit, verschiedene Szenarien durchzuspielen, ermöglicht eine vorausschauende Planung und die Identifizierung von Schwachstellen, bevor sie zu Ausfällen führen. Die National Grid ESO entwickelt beispielsweise einen Digitalen Zwilling des gesamten britischen Energiesystems, um die Dekarbonisierung zu unterstützen und Einblicke in die Emissionsreduzierung zu gewinnen. Das NOVA-Projekt auf der Isle of Wight modelliert die Integration erneuerbarer Energien und Speichersysteme, um die Machbarkeit des Ausbaus erneuerbarer Kapazitäten zu bewerten und die Netzflexibilität zu erhöhen.

Vorhersagealgorithmen und flexible Nachfrage

Digitale Zwillinge verbessern die Last- und Erzeugungsvorhersagealgorithmen erheblich, indem sie komplexe Datenströme in Echtzeit simulieren und analysieren. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Netzstabilität angesichts zunehmender erneuerbarer Energien und Speicherkapazitäten. Sie ermöglichen es Energieversorgern, Nachfrageänderungen genauer zu prognostizieren und ihre Strategien entsprechend anzupassen. Auch die National Gas erforscht das Potenzial digitaler Zwillinge, um die Komplexität des Übergangs von Erdgas zu Wasserstoff zu bewältigen und so die Sicherheit und Effizienz der Gasinfrastruktur zu gewährleisten.

Herausforderungen und Chancen der vierten industriellen Revolution

Die aktuelle Zeit, oft als "Imagination Age" bezeichnet, ist geprägt von technologischen Fortschritten wie dem Internet der Dinge (IoT), künstlicher Intelligenz (KI), Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR). Diese Technologien spielen eine entscheidende Rolle in der Transformation des Energiesektors, insbesondere bei der Entwicklung eines Stromnetzes, das durch erneuerbare Quellen gespeist wird und Netto-Null-Kohlenstoffemissionen erreicht. Die steigende Rechenleistung, insbesondere durch KI-Anwendungen, erhöht den Energieverbrauch, was die Notwendigkeit einer effizienten und nachhaltigen Energieversorgung unterstreicht.

Zugang zu Digitalen Zwillingen und globale Vernetzung

Der Aufbau und die Verwaltung von Digitalen Zwillingen erfordern umfangreiche Datensätze und eine entwickelte Daten-Governance. Der Zugang zu diesen Daten, sowohl innerhalb der Versorgungsunternehmen als auch für externe Nutzer, wird schrittweise erfolgen. Online-Tools und direkter Datenzugriff, geschützt durch geeignete Datenschutztechniken, werden dabei eine wichtige Rolle spielen. Die Vision einer globalen Energieverbindung, die die Vorteile unterschiedlicher Zeitzonen und Jahreszeiten nutzt, um eine ausgewogene Stromversorgung zu gewährleisten, unterstreicht die Notwendigkeit einer noch stärkeren Vernetzung und Koordination zwischen den Netzbetreibern, unterstützt durch präzise Modelle, die Digitale Zwillinge liefern können.

Standardisierung als Fundament

Um die Vision eines revolutionierten, dekarbonisierten und digitalisierten Energiesektors zu realisieren, ist eine enge Zusammenarbeit zwischen Regierungsbehörden, Standardisierungsorganisationen und Digitalen Zwillinge-Akteuren unerlässlich, um einen Konsens über Standards und offene Datenpraktiken zu erzielen. Das Smart Energy Grid Architecture Model (SGAM) und die Common Information Model (CIM) Standards des IEC sind hierbei von zentraler Bedeutung, da sie einen umfassenden Rahmen für den Datenaustausch und die Interoperabilität bieten. Die IEC 61850-Serie definiert Kommunikationsprotokolle für intelligente elektronische Geräte in Umspannwerken und erweitert sich zunehmend auf dezentrale Energiequellen. Diese Standards sind entscheidend, um die Komplexität des Energiesystems zu beherrschen und die Integration neuer Technologien zu ermöglichen.

Empfehlungen für die Zukunft

Die Empfehlungen umfassen die Einigung auf Standards, die Einführung offener Datenpraktiken, den Aufbau und Betrieb von Digitalen Zwillingen sowie die Interaktion mit ihnen. Regierungsbehörden sollten die Definition von Anforderungen und die Mandatierung relevanter Standards unterstützen. Standardisierungsorganisationen sollten Mechanismen zur Wissensvermittlung schaffen und Interoperabilitätstests fördern. Stakeholder sind aufgefordert, sich aktiv an der Standardentwicklung zu beteiligen und Erfahrungen auszutauschen. Nur durch einen gemeinsamen Ansatz kann das volle Potenzial der Digitalen Zwillinge-Technologien genutzt werden, um eine effiziente, zuverlässige und sichere Energiezukunft zu gestalten.

Die National Grid ist mit ihrer Digitalisierungsstrategie und ihrem Aktionsplan, die auf den Empfehlungen der Energy Data Taskforce basieren, bestrebt, den Übergang zu einem modernen, digitalisierten Energiesystem zu vollziehen. Ziel ist es, den Zugang zu qualitativ hochwertigen Daten zu verbessern, die Netztransparenz und den Betrieb zu erhöhen und so die Netto-Null-Ziele Großbritanniens zu unterstützen.

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