- Projekt BEAM-ME: Energieforschung trifft auf Supercomputing
- Schnelle Algorithmen für komplexe Energieszenarien
Dienstag, 27. August 2019 - Im Projekt BEAM-ME haben DLR-Forscher gemeinsam mit Partnern spezielle Algorithmen entwickelt.
Mit Hilfe dieser Algorithmen können die Wissenschaftler nun die Möglichkeiten von Hochleistungsrechnern für das Erstellen umfassender, hochaufgelöster Energieszenarien nutzen.
So lassen sich trotz der riesigen Datenmengen wesentlich detailliertere und damit aussagekräftigere Energiesystemanalysen erstellen.
Schwerpunkt(e): Energie, Digitalisierung, Big & Smart Data, Klimawandel, Künstliche Intelligenz
Energieforschung trifft auf Supercomputing: Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) haben gemeinsam mit Partnern im Projekt BEAM-ME (Realisierung von Beschleunigungsstrategien der anwendungsorientierten Mathematik und Informatik für optimierende Energiesystemmodelle; Englisch: Developing speed-up methods from Applied Mathematics and Computer science for the Optimization of energy system models) spezielle Algorithmen entwickelt. Mit deren Hilfe können die Wissenschaftler nun auch die Möglichkeiten von Hochleistungsrechnern nutzen, um zeitlich wie räumlich hochaufgelöste Energieszenarien zu erstellen. Im Kontext der Energiewende – also der nachhaltigen Umgestaltung unserer Energieversorgung – liefern solche Szenarien Entscheidern in Politik, Wirtschaft und Gesellschaft einen umfassenden Überblick und wertvolle Informationen: Sie zeigen mögliche Entwicklungspfade, Handlungsalternativen und die jeweiligen Konsequenzen auf. Beispielsweise beantworten sie die Frage, wie einzelne Städte, Regionen oder Länder ihre Energienachfrage günstig, sicher und nachhaltig decken können.
Komplexe Energiesystemmodelle - gigantische Datenmengen
Die Entwicklungen auf dem Energiemarkt sind sehr komplex. Energieszenarien beruhen deshalb auf einer enorm großen und vielfältigen Datenmenge bestehend aus Messungen, Annahmen und Wahrscheinlichkeiten. Sie berücksichtigen unterschiedliche Technologien zur Erzeugung von Strom und Wärme, Netzinfrastrukturen und Speicherkapazitäten, Verbraucherverhalten sowie gesellschaftliche und wirtschaftliche Rahmenbedingungen. Eine hohe zeitliche wie räumliche Auflösung der Modelle treiben Datenmenge und benötige Rechenleistung weiter in die Höhe: Idealerweise wollen die Forscher in ihren Szenarien möglichst lange Zeiträume betrachten und diese gleichzeitig in möglichst kleine Intervalle unterteilen, um sowohl generelle wie sehr präzise Aussagen treffen zu können. Gleiches gilt für die räumliche Auflösung: Ein möglichst umfassendes und hochaufgelöstes Gesamtbild setzt sich aus vielen kleinen Mosaiksteinen zusammen, die aber alle einzeln ansteuerbar und auswertbar sind.
"Diese gigantischen Datenmengen bringen herkömmliche Computer schnell an die Grenzen ihrer Kapazität und Leistungsfähigkeit. Auch mit Arbeitsspeichern bis in den Terabyte-Bereich ufern die Rechenzeiten aus. Unser Ziel war es deshalb, das Potenzial von Hochleistungsrechnern für Energieszenarien nutzbar zu machen", beschreibt Dr. Benjamin Fuchs, der das interdisziplinäre Projekt BEAM-ME von Seiten des DLR betreut hat. "Aufgrund der stetig steigenden Komplexität und der weitgehenden Digitalisierung des Energiesystems der Zukunft sind die Herausforderungen der Energiewende zu wesentlichen Teilen auch eine Herausforderung der Informationstechnik", so DLR-Wissenschaftler Fuchs weiter. Zur Riege der Projektpartner, die sich dieser mathematischen wie technischen Herausforderung annahmen, gehörten neben dem DLR-Institut für Technische Thermodynamik das Jülich Supercomputing Centre am Forschungszentrum Jülich, das Hochleistungsrechenzentrum der Universität Stuttgart, das Zuse Institut Berlin, das Institut für Mathematik der Technischen Universität Berlin und die Firma GAMS Software.
Parallelisierbare Algorithmen ermöglichen Nutzung von Supercomputern
Von 2015 bis 2019 entwickelten und testen die Partner gemeinsam sogenannte parallelisierbare Algorithmen für die Supercomputer in Jülich und Stuttgart. Mit deren Hilfe konnte zum Beispiel das Energiesystemmodell REMix (Renewable Energy Mix for Sustainable Electricity Supply) des DLR auf diesen leistungsstarken Computern gerechnet werden. Diese nutzen dazu hunderte bis tausende Rechenkerne parallel und erschließen eine völlig neue Leistungsebene. Energieszenarien mit einem sehr hohen Detailgrad können so innerhalb weniger Stunden ausgerechnet werden. "Bisher war es nur möglich, für einzelne Stichprobenjahre aus einem begrenzten Zeitraum zu modellieren. Mit Hilfe dieser neuen Technologie können wir jetzt mehrere Jahrzehnte vorausplanen und machen die wissenschaftliche Energiesystemanalyse damit wesentlich detaillierter, größer skalierbar, aussagekräftiger und zugleich deutlich schneller", fasst DLR-Forscher Fuchs ein zentrales Ergebnis des Projekts zusammen.
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