1. Preis Sozialwissenschaften 2022

Lars Nolting hat eine Methode entwickelt, mit der sich exakt vorhersagen lässt, wie viel Strom ein bestimmter Erzeuger künftig vorhalten muss. Das ermöglicht Entscheidungsträger:innen aus Industrie und Politik, frühzeitig fundiert zu handeln.

Lars Noltings Forschung im Portrait

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Deutscher Studienpreis 2022: Strom kommt aus der Steckdose, oder?

Die Forschung

Ein Wirtschaftsingenieur berechnet, wann der Strom knapp wird

Text: Dorthe March
Fotos: Patrick Pollmeier

In seinem Bestseller-Roman „Blackout – Morgen ist es zu spät“ von 2012 skizziert Marc Elsberg die immensen gesellschaftlichen Auswirkungen eines totalen Ausfalls der Elektrizitätsversorgung – inklusive überhitzender Kernkraftwerke. Auch wenn Elsberg das Thema stark zuspitzt, beruht der Plot in weiten Teilen durchaus auf realistischen Unsicherheiten in puncto Versorgung. „Wir sind immer abhängiger von Elektrizität, aber ganz unterschiedliche Faktoren machen es zunehmend schwer, genau zu bestimmen, wann wie viel nachgefragt wird, wann wie viel erzeugt wird und ob die prognostizierten Erzeugungskapazitäten demnach ausreichen“, sagt Lars Nolting. Wie wahrscheinlich oder unwahrscheinlich kleinere und größere Unterbrechungen der Stromversorgung sind und wie sich die mittel- bis langfristige Versorgungssicherheit angesichts zunehmend komplexer Systeme fundiert bewerten lässt, hat der Wirtschaftsingenieur in seiner Promotion untersucht.

Über aktuelle Krisen wie den Krieg in der Ukraine hinaus sind es vor allem Umbrüche im Energiesystem, die zuverlässige Verfügbarkeitsprognosen erschweren. „Zum einen prägt die Liberalisierung der Strommärkte und die damit einhergehende Trennung von Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Vermarktung von elektrischer Energie – Unbundling genannt – unser Energiesystem“, erklärt Nolting. „Zum anderen wirkt sich die Energiewende als noch andauernder Prozess der Abkehr von der konventionellen Erzeugung elektrischer Energie hin zur vermehrten Einbindung erneuerbarer Energiequellen aus.“ Er beobachtet, dass sich diese Umbrüche in Energiesystemen mittel- bis langfristig auf die Versorgungssicherheit mit Elektrizität auch in Zentraleuropa auswirken können.

Künstliche Intelligenz statt Glaskugel

Derzeit gibt es zwei Wege, um den Grad der Versorgungssicherheit mit Elektrizität zu prognostizieren: wenig komplexe, tabellenbasierte Methoden – sogenannte deterministische Kapazitätsbilanzen – sowie hochkomplexe probabilistische Simulationsmodelle. Weder die eine noch die andere Methode schaffe es jedoch, die zunehmende Komplexität der weltweiten Energiesysteme abzubilden und deren Zukunft vorherzusagen. Nolting nennt diesen Umstand das „Komplexitätsdilemma“ und erklärt: „Die Abbildung des zunehmend komplexen Energiesystems erfordert zunehmend komplexe Modelle.“ Deren Genauigkeit hängt jedoch wiederum stark von der Qualität der Eingangsdaten ab. Deshalb setzt Nolting dem Komplexitätsdilemma eine Metamodellierung entgegen, mit der sich fundierte Aussagen über die Versorgungssicherheit treffen lassen.

„Die Abbildung des zunehmend komplexen
Energiesystems erfordert zunehmend komplexe Modelle.“

Studienpreisträger Lars Nolting

Konkret bedeutet das: Der Wirtschaftsingenieur nutzt moderne Methoden, die auf künstlicher Intelligenz (KI) basieren, um für eine Vielzahl potenzieller Szenarien zu berechnen, wie zuverlässig ein beliebiges Energiesystem seine Abnehmer mit Elektrizität versorgen kann. Im Ergebnis zeigten insbesondere künstliche neuronale Netze sehr präzise Prognosen.

Foto: David Ausserhofer

„Noltings exzellente Forschungsarbeit leistet einen relevanten Beitrag zum Gelingen der Energiewende.“

Kai Gehring, MdB, Mitglied der Jury

Mit mehr Unsicherheiten zu mehr Sicherheit

Für künftige valide Modelle muss Nolting zufolge ein Paradigmenwechsel stattfinden: weg vom immer weiter gesteigerten Detailgrad der Abbildung in den verwendeten Modellen hin zu einer angemessenen Berücksichtigung und Kommunikation von Unsicherheiten und Risiken. In einer Pilotstudie im Rahmen seiner Promotion hat er zeigen können, dass Metamodellierung die Möglichkeit bietet, detaillierte Modelle zur Bewertung der Versorgungssicherheit effizient anzunähern und Laufzeiten zu reduzieren.

Das bedeutet, dass sich nach Noltings Methode auch die Schnelligkeit des Rechenprozesses immens erhöht: Ein Szenario-Durchlauf auf einem Hochleistungsrechner dauert nicht mehr rund 8,5 Stunden, sondern lediglich noch drei Minuten. Das ermögliche bei Mittel- bis Langfristprognosen die Untersuchung zahlreicher Parameter- und Szenario-Variationen und somit die Abdeckung eines deutlich breiteren Prognosespektrums, betont Nolting.

Vorteile auf allen Seiten

„Die Metamodellierung stellt ein geeignetes Verfahren dar, um sowohl den gestiegenen Anforderungen an die Modellkomplexität für die Bewertung der Versorgungssicherheit mit Elektrizität als auch den zu berücksichtigenden Unsicherheiten hinsichtlich der Eingangsdaten Rechnung zu tragen“, fasst Nolting zusammen. Und es profitieren alle Beteiligten von seiner Metamodellierung und deren Konsequenzen, denn „während eine Überdimensionierung der Reserven mit hohen Kosten für Stromverbraucher und Steuerzahler in Milliardenhöhe verbunden ist, birgt die Unterdimensionierung solcher Maßnahmen die Gefahr, dass das Niveau der Versorgungssicherheit absinkt“.

Deshalb werden die Ergebnisse jetzt in die industrielle Praxis übertragen. Gemeinsam mit den vier deutschen Übertragungsnetzbetreibern sowie der Bundesnetzagentur bringt Nolting unter anderem das Forschungsprojekt „Künstliche Intelligenz zur Bewertung der Versorgungssicherheit mit Elektrizität (KIVi)“ voran – damit auch künftig gewährleistet werden kann, dass der Strom zuverlässig aus der Steckdose kommt.

Der Preisträger

Lars Nolting (31) studierte Wirtschaftsingenieurwesen in Fachrichtung Maschinenbau an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen, wo er anschließend auch promovierte. Seit 2021 ist er Oberingenieur im E.ON Energy Research Center am Lehrstuhl für Energiesystemökonomik der RWTH.

Beitragstitel: Der Strom kommt aus der Steckdose, oder? Einführung von KI-basierter Metamodellierung zur Bewertung der Versorgungssicherheit mit Elektrizität

Lars Nolting

lars.nolting@tennet.eu​​​​​​​​​​​​​​

Promotion an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, Fachgebiet Energieökonomik

Bildergalerie

  • Lars Nolting hat eine KI-gestützte Methode – eine sogenannte Metamodellierung – zur Bewertung von Versorgungssicherheit mit Elektrizität entwickelt.
    Lars Nolting hat eine KI-gestützte Methode – eine sogenannte Metamodellierung – zur Bewertung von Versorgungssicherheit mit Elektrizität entwickelt.
  • Seine Promotion hat der Wirtschaftsingenieur an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen abgeschlossen.
    Seine Promotion hat der Wirtschaftsingenieur an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen abgeschlossen.
  • Mit seiner Forschung hilft er Entscheidungsträger:innen aus Politik und Industrie, die Energieversorgung auch in Zukunft lückenlos aufrecht zu erhalten.
    Mit seiner Forschung hilft er Entscheidungsträger:innen aus Politik und Industrie, die Energieversorgung auch in Zukunft lückenlos aufrecht zu erhalten.
  • Nolting arbeitet daran, die Ergebnisse seiner Forschung in die industrielle Praxis zu übertragen.
    Nolting arbeitet daran, die Ergebnisse seiner Forschung in die industrielle Praxis zu übertragen.
  • Schnell uns präzise: Ein Szenario-Durchlauf auf einem Hochleistungsrechner dauert dank der Metamodellierung nicht mehr rund 8,5 Stunden, sondern lediglich drei Minuten.
    Schnell uns präzise: Ein Szenario-Durchlauf auf einem Hochleistungsrechner dauert dank der Metamodellierung nicht mehr rund 8,5 Stunden, sondern lediglich drei Minuten.

Materialien zum Download

Wettbewerbsbeitrag von Lars Nolting

Pressefoto Lars Nolting

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