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Optimaler Netzausbau durch Kombinatorische Optimierung

Clean Grid

Seminararbeit 2014 21 Seiten

Didaktik - Mathematik

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

A. Einleitung

B. Hauptteil
I. Schleppender Netzausbau
II. Neuartiges Modell für mehr Beschleunigung
III. Einsatz von Kombinatorischer Optimierung
1. Eingehende Erläuterung des Dijkstra - Algorithmus
2. Eruieren von maßgeblichen Faktoren
IV. Reale Anwendung des Algorithmus von Dijkstra
1. Abbildung von Landkreisen in einem Graphen
2. Eingehende Beschäftigung mit recherchierten Daten
3. Software-basierte Lösung
V. Entwicklung einer iOS-Applikation

C. Schluss

D. Abbildungsverzeichnis

E. Literaturverzeichnis

Abstract

Der Netzausbau ist die existenzielle Basis der Energiewende und so der Grundstein für das Erreichen klimapolitischer Zielsetzungen.

Aus dem von der Bundesnetzagentur verwendeten Modell resultiert eine Verschleppung des Netzausbaus. Die vorliegende Arbeit beschreibt ein völlig neues Alternativ-Modell und dessen software-basierte Umsetzung. Die Idee sieht vor, dass das aktuell mehrstufige System zusammengefasst wird. So wird das allgemeine Problem des Netzausbaus zur besseren Lösung in konkrete regionale Herausfor- derungen untergliedert. Nach der raschen Feststellung von Start- und Endpunkt eines Ausbauvorhabens wird, um schnell die optimale Route für einen konkreten Leitungsverlauf zu finden, der sogenannte Dijkstra-Algorithmus angewandt. Die Arbeit behandelt ihn eingehend. Der Algorithmus berücksichtigt in seiner Anwendung wichtige Faktoren, wie z.B. Umweltverträglichkeit, Länge der Leitungen oder prognostizierte Entwicklungen und stellt so nicht nur den beschleunigten, sondern auch den sinnvoll optimierten Netzausbau sicher. Theoretisch gewonnene Erkennt- nisse werden auf ein konkretes Netzausbauvorhaben projiziert. Nach eingehender Analyse wichtiger Daten generiert eine Software die optimale Route für den Trassenverlauf des fokussierten Ausbauvorhabens. Um das vorgestellte Alternativ- Modell einer breiten Öffentlichkeit zugänglich zu machen, ist zudem mit großem Aufwand eine iOS-Applikation entwickelt worden.

„ Herr Scherr hat tolle Ideen und setzt sie zielstrebig um. “

- Prof. Dr. Ingo Morgenstern (Physikalische Fakultät der Universität Regensburg) „ Matthias Scherr packt die wichtigen Themen unserer Zeit mit sehr guten Ideen an. Er erfindet ein neues System und setzt es eindrucksvoll um. Das belegt nicht zuletzt seine selbst entwickelte App. “

- Dr. Sebastian Erdenreich (Freiberuflicher IT-Spezialist) „ Hier sehe ich großes Potential ein Portal zuöffnen, in welchem Raum für Chancen besteht. “ - Johannes Bauer (Doktorand, Harvard University)

A. Einleitung

„ Wir gründen Club der Energiewende-Staaten. “ 1

Dieses Vorhaben äußerte Bundesumweltminister Peter Altmaier am Rande der Klimakonferenz in Doha und setzt dabei voraus, dass die Energiewende in Deutschland funktioniert. Für das Gelingen der Energiewende ist der Ausbau von Höchstspannungstrassen existenziell wichtig. Durch die Medien ist bekannt, dass dieser Netzausbau zu schleppend verläuft. „ Der Ausbau des deutschen Höchstspan- nungsnetzes muss dringend beschleunigt werden. “ 2 findet auch der Präsident der Bundesnetzagentur Jochen Homann. Mit den aktuellen Konzepten seiner Behörde und den Modellen der Übertragungsnetzbetreibern gelingt die Beschleunigung allerdings kaum. Dadurch wirft sich die Forschungsfrage auf, wie der Ausbau des Übertragungsnetzes mit einem völlig neuartigem Modell in Zukunft schneller und optimaler gestaltet werden kann. Um diese Forschungsfrage eingehend zu beantworten, beleuchtet die vorliegende Arbeit folgende Aspekte: Zunächst wird die Ausgangslage des zögerlichen Netzausbau stichhaltig analysiert. Für die Funktion des vorgeschlagenen Alternativ-Modells ist der Einsatz von Kombinatorischer Optimierung essentiell wichtig. Deshalb wird der gewählte Algorithmus auch eingehend erläutert. Im dritten Teil kommt der Deijkstra Algorithmus zu seiner realen Anwendung. So wird er in eine Software implementiert und generiert ein Lösung für das Ausbauvorhaben Redwitz - Schwandorf. Dabei ist es notwendig die verschiedenen Landkreise zuvor in einem Graphen darzustellen und sich tiefgründig mit verschiedenen Daten zu befassen. Die Software gibt dann basierend auf Imput- Faktoren einen optimalen Routenverlauf an. Zu Ende des Hauptteils stellt der Verfasser eine von ihm entwickelte iOS-Applikationen vor, durch die das Projekt „Clean Grid“ der Öffentlichkeit in ansprechender Form zugänglich ist.

B. Hauptteil

I. Schleppender Netzausbau

Der Netzausbau verläuft zu zögerlich und kann mit der Ausbaugeschwindigkeit der erneuerbaren Energien nicht Schritt halten. Die Verzögerung des 2009 beschlos- senen Gesetzes zum Ausbau von Energieleitungen (EnLAG) bestätigt diese These. Das Gesetz beinhaltet 24 Ausbau-Vorhaben im Bereich des Übertragungsnetzes. Zwei Vorhaben wurden bisher abgeschlossen und so 12% der Stromleitungen realisiert3. Die Politik hat bereits reagiert und das sogenannte „Netzausbaube- schleunigungsgesetz Übertragungsnetz“ (NABEG) 2011 beschlossen. Dieses Gesetz, das dritte seiner Art, impliziert einige Maßnahmen zur Beschleunigung des Netzausbaus. So soll durch ein vereinfachtes Verfahren die Ermittlung von Trassenkorridoren ohne strategische Umweltprüfung erfolgen können4. Diese Trassenkorridore werden im Rahmen der sogenannten Bundesfachplanung beschlossen, welche den vierten Schritt bei einem mehrstufigen System des Netzausbaus bildet. Das NABEG fokussiert nur diesen einen Schritt und verbessert so nicht die grundsätzlich fünfstufige Vorgehensweise, die den zentralen An- knüpfungspunkt meiner Arbeit bildet und deshalb anschaulich erläutert werden soll:

Szenariorahmen:

Im ersten Schritt analysieren die vier Übertragungsnetzbetreiber zukünftige Entwicklungen innerhalb der deutschen Energielandschaft. Konkret werden dabei Prognosen für den Anteil von regenerativen Energiequellen an der Stromerzeugung im Jahr 2023 (Szenario A und B) abgegeben.

Netzentwicklungsplan und Umweltprüfung:

Um den Netzausbaubedarf festzustellen, werden die allgemeinen Erkenntnisse aus dem Szenariorahmen regional vertieft und Simula- tionen bezüglich der künftigen Einspeise-Menge und der Netzstabilität durchgeführt.

sogenannte NOVA-Prinzip (Netz-Optimierung, vor Verstärkung, vor Ausbau) angewandt. Nun prüft die Bundesnetzagentur den von Tennet TSO, Amprion, 50Hertz Transmission und TransnetBW vorgelegten Netzentwicklungsplan, und beurteilt ihn zusammen mit verschiedenen Kooperationspartner im Hinblick auf ökologisch relevante Gesichts- punkte.

Bundesbedarfsplan

Die gewonnen Erkenntnisse werden im Bundesbedarfsplan verarbeitet. Dieser beinhaltet eine Auflistung von verschieden Ausbaumaßnahmen mit der konkreten Angabe von Start- und Zielpunkten. Die Bundesre- gierung muss einen Bundesbedarfsplan alle drei Jahre erhalten.

Konkrete Trassen

Nach der bereits erwähnten Ermittlung prinzipiell möglicher Trassenkorridore werden in einem Planfeststellungsverfahren die finalen Trassen unter Einbeziehung der Öffentlichkeit beschlossen.5

II. Neuartiges Modell zur Beschleunigung des Netzausbaus

Aus diesem sehr vielschichtigen Modell resultieren neben unstrittigen Vorteilen auch zwei große Nachteile: Prognosen des Szenariorahmens spielen für die Bestimmung der Start- und Endpunkte eine Rolle, aber für den letztendlich geographischen Verlauf einer Stromtrasse werden sie nicht berücksichtigt. Für diesen sind aus- schließlich zwei Dinge wichtig: „ Am Ende steht ein Planfeststellungsbeschluss mit den Trassenverläufen, die die geringsten Belastungen für Mensch und Umwelt versprechen. “ 6 Diese Arbeit und somit das Projekt „Clean Grid“ will alle Faktoren auch regional anwenden und so die im großem Maßstab sehr komplexe Problematik in viele regionale Projekte zergliedern. Gleichzeitig soll aber auch das gesamt- deutsche Ziel des Netzausbaus nicht gefährdet werden. Ein neuartiges Modell zur Beschleunigung und Optimierung des Netzausbaus entsteht, welches die Übertragungsnetzbetreiber in Kooperation mit der Bundesnetzagentur anwenden könnten. Das bisherige Modell wird zu einem Schritt zusammengefasst. Start- und Endpunkte von Vorhaben resultieren aus dem Ort von Energieerzeugern und Energieverbrauchern. Das erfüllt auch das primäre Ziel des Netzausbaus. Andere Faktoren, wie z.B. Prognosen für den Anstieg erneuerbarer Energien, beinhaltet das vorgeschlagene System, indem es konkrete geographische Routen vorschlägt, die wiederum auf den erwähnten Faktoren basieren. Die Überlegung ist, dass wenn im kleinen Maßstab alles optimiert wird, auch eine Funktionalität im großem Bezugsrahmen herrscht. Wenige noch existierende Probleme im gesamtdeutschen Kontext können z.B. durch den zielgerichteten Bau neuer HGÜ-Leitungen behoben werden. Die vorliegende Arbeit behandelt nur den Ausbau bestehender Transportnetze zu Übertragungsnetze. Diese Maßnahmen bilden die wichtigsten Eckpfeiler des Netzausbaus (NOVA-Prinzip.)

Ferner begründet sich die bewiesene Trägheit des Netzausbaus ebenfalls in dem verwendeten System, denn das aktuelle Modell sieht immer wieder intensive Prüfungen vor, während das hier vorgestellte System nur eine Kontrolle erfordert. Die Folge ist eine enorme Beschleunigung des Netzausbaus. Mit dem vorgeschlagenen System wird zudem ein höhere Attraktivität für die Netzbetreiber geschaffen, zeitnah zu investieren. Denn die Netzbetreiber erhalten schnell den konkreten Verlauf einer Trasse und können planungssicher agieren. Wie die optimale Route für eine Trasse generiert wird, beschreibt die Arbeit im nächsten Kapitel.

III. Einsatz von Kombinatorischer Optimierung

1. Verwendung des Dijkstra Algorithmus

Das Stromnetz stellt mit seinen unterschiedlichen Spannungsebenen7 und dement- sprechend vorhanden Knotenpunkten einen Graph dar. Dieser definiert sich im Allgemeinen wie folgt: „Ein Graph ist ein Gebilde aus Knoten und Kanten, Kanten verbinden stets zwei Knoten.“8 Auf das Stromnetz angewendet fungieren die Leitungen als Kanten und die Transformierungs-Punkte als Knoten. Leitungen des Transportnetzes sind vorhanden. Wo sie zu Übertragungsnetzen ausgebaut werden, hängt von den im zweiten Teil des Kapitel erörterten Faktoren ab. Um einen, auf diesen Faktoren beruhenden optimalen, geographischen Netzausbau zu generieren ist die Verwendung mathematischer Algorithmen erforderlich, die speziell für Graphen-Probleme entwickelt worden sind und eine Gewichtung der Kanten erlauben. Die Gewichtung ist ein Resultat (ein Durchschnittswert) aus der Quanti- fizierung aller wichtigen Faktoren. Nach der Beschäftigung mit einigen potenziell geeigneten Algorithmen (Ruin & Recreate, Greedie, Local Search etc.) erscheint der Algorithmus nach Dijkstra9 für die zu lösende Problematik des Netzausbaus auf Grund seiner Simplizität und seiner Fokussierung auf gewichtete Kanten besonders geeignet.

Er soll an diesem fiktiven und wenig komplexen Graphen erläutert werden:

Beginn:

Zunächst wird ein Start- (a) und Endpunkt (f) definiert. Die Summe der Kantengewichte zum Startknoten nennt sich „Distanz“. Aktuell ist der Startknoten der „Aktive Knoten“. Seine Nachbarn sind die Knoten (b, c, d). Sie haben eine direkte Verbindung zu a. Dabei entscheidend ist ihre Distanz zum Startknoten (b: 9, c: 6, d: 4).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Dementsprechend ist Punkt d auszuwählen, denn bei diesem Algorithmus sind kleinere Kantengewichte die besseren. Anschließend ist d der aktive Knoten d und hat bis jetzt zwei unbesuchte Punkte (c, g). Die Distanzen von c und g errechnen sich wie folgt: Distanz des aktiven Knotens d zum Startknoten a plus Kantengewicht der verbindenden Kante. Für c lautet das Ergebnis also 7 und für Punkt g wird ein Wert von 9 ermittelt. Der Punkt mit der kleinsten Distanz c (6) ist nun aktiver Knoten. Der Knoten c muss kein Nachbar von d sein.

[...]


1 Passauer Neue Presse, Wir gründen Club der Energiewende-Staaten, 06.12.12.

2 Süddeutsche Zeitung, Behörde warnt vor lahmen Netzausbau, 03.08.2012. 3

3 Vgl. Bundesnetzagentur, Fortschritt der Leitungsvorhaben aus dem Energieleitungsausbaugesetz.

4 Vgl. Bundesjustizministerium, NABEG, §11. Bei der finalen Beschreibung des Netzausbaubedarfes wird das

5 Vgl. Bundesnetzagentur, Netzausbau 2012.

6 Bundesnetzagentur, Netzausbau 2012, Seite 2.

7 Vgl. Gartmair Heinrich; Energiewende ohne Blackout, S. 21

8 Lutz-Westphal Brigitte, Hußmann Stephan, Kombinatorische Optimierung erleben, S. 7.

9 Vgl. Lutz-Westphal Brigitte, Hußmann Stephan, Kombinatorische Optimierung erleben. 7

Details

Seiten
21
Jahr
2014
ISBN (eBook)
9783656508151
ISBN (Buch)
9783656508090
Dateigröße
1.5 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v262474
Note
15
Schlagworte
optimaler netzausbau kombinatorische optimierung clean grid

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