Arbeitsgruppe Netzwerke

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Modellbildung und Simulation von Infrastrukturnetzwerken. Schwerpunkte dabei bilden insbesondere Wasser-, Gas- und Stromnetze auf unterschiedlichen Skalen, die von einem Haushalt bis zu überregionalen Verbundnetzen reichen können. Mit Hilfe von auf mathematischer Simulation basierten Computerexperimenten können aktuelle Fragestellungen zur Energieeffizienz und Versorgungssicherheit und somit Beiträge zur Energiewende geliefert werden.

Aktuelle Forschungsthemen

  • Numerische Methoden zur Netzwerksimulation
  • Netzintegration wetterabhängiger Energieerzeuger: Simulation des Systemverhaltens von PV-Diesel-Hybrid-Systemen und PV-Wasserstoff-Systemen
  • Energiekreisläufe Power-to-Gas-to-X
  • Wasserstoff oder Methan, das ist hier die Frage!
  • Sektorkopplung
  • Energie 4.0: Digitalisierung und Energiewende

Methoden, Kompetenzen und Anwendungen

  • Die Arbeitsgruppe entwickelt seit 2013 eine eigene Modellkette zur Berechnung des Systemverhaltens von Energienetzen unter variabler wetterbedingten Randbedingungen. Dabei liegt der Fokus auf Effekten variabler solarer Energieerzeugung. Insbesondere wurde ein atmosphärisches Strahlungstransfermodell (libradtran) mit einem PV-Leistungsmodell gekoppelt, das wiederum Input für die Modellierung von Strom- und Wasserstoffnetzen liefert. Es existiert eine Lizenz für INSEL (Integrated Simulation Environment Language, der Firma Doppelintegral GmbH), die es erlaubt, Witterungseinflüsse auf kleinere elektrische und thermische Netze mit regenerativen Energieerzeugern zu simulieren.
  • In enger Kooperation mit dem Fraunhofer SCAI beschäftigt sich die Arbeitsgruppe weiterhin mit aktuellen Fragestellungen zu Energienetzen und trägt zur Weiterentwicklung des multiphysikalischen Netzsimulators MYNTS des SCAI bei. Mit Hilfe von MYNTS werden Aufgabenstellungen aus den Bereichen Gasnetze, Wärme-/Kältenetze (Wasser), Stromnetze und Sektorkopplung bearbeitet. Das Know-How zur Analyse dieser Netze erstreckt sich von Big-Data-Architekturen, Netzrekonstruktionen bis hin zu Approximationsverfahren.
  • Die mathematische Modellbildung von Netzkomponenten erfolgt mit Hilfe von partiellen und gewöhnlichen Differentialgleichungen sowie nichtlinearen algebraischen Gleichungen. Diese können durch geeignete Diskretisierungen der Ortsableitungen zu einen großen sog. Differential-Algebraischen Gleichungssystem (DAEs) zusammen gefasst werden. In der Arbeitsgruppe werden effiziente numerische Methoden zur Lösung solcher DAEs entwickelt und in der Simulationssoftware zum Einsatz gebracht. Dabei kann auf langjährigen Erfahrungen in der Simulation großer Wassernetze aufgebaut werden.

Labore

Die Simulationen werden anhand von Messdaten der Energiemeteorologischen Messstation der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg in Sankt Augustin validiert. Weitere Messdaten werden im Labors "Energie 4.0 (Big Data Labor)" aufgezeichnet. Aktuell ist ein weiteres Labor "Technologien der Energiespeicherung" im Aufbau, in denen verschiedene Konzepte eines komplexen Energiesystems erprobt werden und mit Hilfe von Simulationen gestützt und entwickelt werden.

Ausgewählte Publikationen

Arbeitsgruppe Netzwerke

2020 | 2018 | 2017 | 2012

2020

Gerd Steinebach, Oliver Kolb: Hydraulic modeling and energy view.
doi:10.4171/207-1/4 URL BibTeX | RIS

Gerd Steinebach, David Dreistadt, Patrick Hausmann, Tim Jax: Setup of simulation model and calibration.
doi:10.4171/207-1/7 URL BibTeX | RIS

Tim Jax: Network aggregation.
doi:10.4171/207-1/6 URL BibTeX | RIS

Patrick Hausmann: Demand forecast.
doi:10.4171/207-1/3 URL BibTeX | RIS

2018

Tanja Clees, Igor Nikitin, Lialia Nikitina: Making Network Solvers Globally Convergent.
doi:10.1007/978-3-319-69832-8_9 BibTeX | RIS

Tanja Clees, Igor Nikitin, Lialia Nikitina, Lukasz Segiet: Modeling of Gas Compressors and Hierarchical Reduction for Globally Convergent Stationary Network Solvers.
URL BibTeX | RIS

Anton Baldin, Kläre Cassirer, Tanja Clees, Bernhard Klaassen, Igor Nikitin, Lialia Nikitina, Inna Torgovitskaia: Universal Translation Algorithm for Formulation of Transport Network Problems: Proceedings of 8th International Conference on Simulation and Modeling Methodologies, Technologies and Applications, Volume 1: SIMULTECH, 2018, Porto, Portugal.
doi:10.5220/0006831903150322 BibTeX | RIS

2017

Gerd Steinebach: From River Rhine Alarm Model to Water Supply Network Simulation by the Method of Lines.
doi:10.1007/978-3-319-23413-7_109 BibTeX | RIS

Tim Jax, Gerd Steinebach: Generalized ROW-type methods for solving semi-explicit DAEs of index-1.
doi:10.1016/j.cam.2016.08.024 BibTeX | RIS

2012

Gerd Steinebach, Rüdiger Weiner: Peer methods for the one-dimensional shallow-water equations with CWENO space discretization.
doi:10.1016/j.apnum.2012.06.009 BibTeX | RIS

Gerd Steinebach, Roland Rosen, Annelie Sohr: Modeling and Numerical Simulation of Pipe Flow Problems in Water Supply Systems.
doi:10.1007/978-3-0348-0436-3_1 BibTeX | RIS