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5GAIN – 5G Infrastrukturen für zellulare Energiesysteme unter Nutzung künstlicher Intelligenz

5GAIN Logo

© adesso SE

Ziel/Nutzen der Lösung

Das Projekt 5Gain befasst sich mit dem Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI) und 5G im Energiesektor. Die Steuerung der Energiesysteme wird durch die zunehmende dezentrale Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien immer komplizierter. 5Gain evaluiert und entwickelt innovative, technische Konzepte für eine effiziente Steuerung von Energieverbrauch und -erzeugung innerhalb eines lokalbegrenzten Bereichs. Durch das erarbeitete Konzept werden die Erzeuger, Lasten und Speicher der Energieverteilnetze mittels KI so gesteuert, dass sie optimal im Gleichgewicht sind. Dabei verwendet das Projekt die 5G-Technologie als Kommunikationsmittel. Eingebettet in die Smart-City-Strategie der Stadt Dortmund zielt das Projekt darauf ab, weitere Kompetenzen und Erfahrungen zur Nutzung der 5G-Technologie in der Smart City zu erhalten sowie auf kommunaler Ebene einen Beitrag zur Energiewende zu leisten.

Lösungsbeschreibung

Das Projekt wird im Rahmen des Energieforschungsprogramms "Innovationen für die Energiewende" vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit 5,4 Millionen Euro gefördert. Davon stehen der Stadt Dortmund rund 220.000 Euro zur Verfügung. Die Kosten des Campuslabors liegen im unteren einstelligen Millionenbereich. Der Großteil davon entsteht durch die Integration von vorhandenen Anlagen. Außerdem beträgt die Hallenmiete für die Projektlaufzeit rund 94.000 Euro und die Hardware-Investitionen betragen rund 36.000 Euro.
Die Projektpartner entwickeln Einzellösungen zu der Aufteilung der Netze in Energiezellen, dem Abrechnungssystem mittels Smart Contracts, das Network Slicing System für die Zuteilung der Netzwerkressourcen und den Energy Data Hub für die Entwicklung von Prognosen. 5GAIN teilt Energiesysteme in regionale Zellen ein, innerhalb derer ein dezentrales, weitgehend autonomes Last- und Einspeisemanagement durchgeführt wird. Das Entnahme- und Erzeugungsverhalten wird dabei mittels maschineller Lernverfahren optimiert.
Die Abrechnung des bezogenen Stroms erfolgt zwischen den involvierten Einheiten durch sogenannte Smart Contracts (intelligente Verträge). Um diese Funktionen sicher zu gewährleisten, wird eine Vernetzung aller Erzeuger, Speicher und Verbraucher mittels 5G-Mobilfunk angestrebt. Smart Contracts sind automatisierte Verträge, geschrieben in Programmiercode, die bei bestimmten Ereignissen in Kraft treten bzw. an zuvor festgelegte Bedingungen geknüpft sind. Auf diese Weise können Teilnehmende automatisiert Energie zu einem entsprechenden Preis zur Verfügung stellen (sofern es der Markt benötigt oder es wirtschaftlich sinnvoll ist) und werden automatisch, abhängig von der gelieferten Leistung, vergütet. Die Smart Contracts beruhen auf der Blockchain-Technologie. Blockchain ist eine dezentrale Datenbank, die Daten fälschungssicher speichert und jeden Schritt mit einem einzigartigen Code registriert. Dadurch werden alle Transaktionen und Aktivitäten sicher aufgezeichnet, sind einfach rückverfolgbar und transparent. Darüber hinaus gibt es übergeordnet eine Steuerung, die in den Betrieb bestimmter Anlagen eingreift und so deren Stromverbrauch bzw. -erzeugung anpasst. Wird in einer Energiezelle mehr Strom erzeugt als verbraucht werden kann, wird dieser entweder gespeichert oder in benachbarte Energiezellen exportiert. Das Projektgebiet (Reallabor) im Dortmunder Stadtlabor umfasst circa 2,4 km^2. Energiezellen bilden eine virtuelle Einheit aus Erzeugern, Verbrauchern und Speichern. Für die Aufteilung in Energiezellen existieren noch keine allgemein festgelegten Kriterien. Faktoren wie die räumliche sowie geografische Nähe und elektrische Anbindung (u.a. Spannungsebene) spielen jedoch eine Rolle. Die Zellen agieren mithilfe von adaptiven KI-Verfahren intelligent und erlernen die Regeln des individuell vorhandenen Energienetzes. Das Aufteilen des Netzes in verschiedene Gruppen ermöglicht ein autonomes Last- und Einspeisemanagement in das Energiesystem. Das Konzept sieht vor, Prognoseverfahren zu entwickeln, die die verschiedenen Kommunikationsanforderungen frühzeitig erkennen. Dadurch ist es möglich, die Zellen regional so zu wählen, dass die passenden Kommunikationsressourcen zur Verfügung stehen. Der Energy Data Hub trägt die historischen Daten zu Verbrauch und Erzeugung von Elektrizität fortlaufend zusammen. Mithilfe dieser Daten und zum Beispiel Wetterprognosen können auf diese Weise Vorhersagen getroffen werden, welche den Stromsektor betreffen. Diese Vorhersagen sind hilfreich, um Lastgänge bestimmter Anlagen zu planen und Elektrizität optimal zu verteilen.
Das Projekt lässt sich in drei Arbeitsschritte gliedern. Zunächst entwickelte das Projektkonsortium ein Konzept und die erforderlichen technischen Hintergrunddienste. Im nächsten Schritt wird die Steuerung der Energiesysteme testweise auf dem Campus der Technischen Universität Dortmund erprobt. Sobald der Test erfolgreich abgeschlossen ist, wird das Testgebiet auf das Stadtgebiet Dortmund ausgeweitet.
Die Stadt Dortmund vermittelt im Projekt zwischen verschiedenen Akteuren und kommunalen Interessengruppen. Außerdem werden den Projektpartnern Informationen zu technischen oder regulatorischen Fragenstellungen im Stadtgebiet zur Verfügung gestellt. Schließlich übernimmt die Stadt die öffentliche Kommunikation und sorgt für eine Verstetigung der gewonnenen Erkenntnisse innerhalb sowie außerhalb der Stadtverwaltung. Die RWTH Aachen setzt sich außerdem mit städtebaulichen Aspekten von Makro- und Mikrozellen für 5G-Netzstandorte auseinander. Insbesondere der Aufbau von Mikrozellenstandorten kann durch deren hohe Anzahl einen erheblichen Eingriff in das Stadtbild zur Folge haben. Zu dem ersten Projektschritt gehörten auch die Entwicklung der notwendigen Software und das virtuelle Testen. Im zweiten Schritt erprobt das 5G Campuslabor auf dem Gelände der TU Dortmund die entwickelten Einzellösungen und führt diese zusammen. Dafür wird zunächst die benötigte Infrastruktur aufgebaut. Anschließend wird insbesondere die zuverlässige Gesamtfunktionalität sichergestellt. Es ist weiterhin geplant, die datenintensive und automatisierte Fernwartung der verteilten Infrastrukturen via Drohnen durchzuführen. Außerdem werden weitere Einsatzmöglichkeiten für die entwickelten Innovationen geprüft, um diese gegebenenfalls in weiteren Smart-City-Projekten und in der Stadtentwicklung einzubringen.
Durch das Einsetzen von 5G und künstlicher Intelligenz im Energiesektor wird eine Kostensenkung und effizientere Nutzung der Energie angestrebt. Durch den dezentralen Ansatz wird die Integration erneuerbarer Erzeuger erleichtert und zur Verfügung stehende Energie mit den Bedarfen in Einklang gebracht. Dies kommt einerseits den regionalen Energieversorgern zugute, letztendlich profitieren aber auch die Stadt und die Bevölkerung von dem Projekt, da ein Beitrag zur Energiewende geleistet wird.
Es wird eine dezentrale Stromversorgung konzeptioniert, sodass der steigende Anteil an erneuerbarer Stromerzeugung optimal integriert wird. Um die Netzstabilität weiterhin zu gewährleisten, testet das Konsortium intelligente Methoden zur Sicherstellung der dauerhaften Funktionsfähigkeit des Energiesystems. Dadurch wird für die Nutzenden ein stabiles System trotz steigender Komplexität sichergestellt.
Das Projekt beschäftigt sich unter anderem mit den regulatorischen Gegebenheiten für den Aufbau der 5G-Netzinfrastruktur und konzipiert eine möglichst effiziente Herangehensweise an den Genehmigungsprozess. Dadurch, dass die einzelnen Haushalte mit ihrem Energieverbrauch nicht direkt im Projekt eingebunden sind, müssen diese bei datenschutzrechtlichen Fragestellungen zunächst nicht beachtet werden.

Kommunen

Das Projekt wird in folgenden Kommunen umgesetzt:

Dortmund, Nordrhein-Westfalen

über 500.000 Einwohner

Stadt

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Durch die Automatisierung der Systemsteuerung soll die Energienutzung deutlich effizienter, kostenoptimierter und weniger fehleranfällig werden. Weiterhin liefert das Projekt eine Möglichkeit, wie trotz steigender Komplexität das Energienetz stabil gehalten werden kann und wie Versorgungsengpässe oder -überschüsse vermieden werden.

Im übergeordneten Sinne leistet das Projekt einen Beitrag zur Klimawende, indem es die passende Infrastruktur zur Steuerung der verschiedenen Energiequellen wie den erneuerbaren Energien liefert. Dadurch besteht die Chance, möglichst viel Energie aus erneuerbaren Quellen ohne große Verluste durch fehlende Speicherkapazitäten einzubinden. Damit trägt es gleichzeitig zur Erreichung der CO2-Reduktions- sowie Nachhaltigkeitsziele bei.

In dem Projekt wird die Eignung des entwickelten Konzeptes überprüft. Aufbauend auf den im Projekt gewonnenen Fähigkeiten und Kompetenzen plant die Stadt, diese in weiteren Smart-City-Anwendungen einzubringen. Sowohl die Stadt Dortmund als auch die wissenschaftlichen Partner werden die Ergebnisse aus dem Projekt veröffentlichen. Darüber hinaus ist das Projekt in die Smart-City-Strategie der Stadt Dortmund integriert.

Beteiligte Partner*innen