Digitalisierung übernimmt Zentrale Rolle in der Wasserkraftnutzung

Autor: Redaktion , 14.06.2021

Die Architektur der kontinentaleuropäischen Energieinfrastruktur wurde vor Jahrzehnten entworfen und weiterentwickelt – und hat sich seither durchaus bewährt.

Im Wesentlichen waren thermische Kraftwerke, assistiert von Kernenergie und Wasserkraft die tragenden Säulen des Systems. Aber mit der laufenden Abkehr von fossilen Energieträgern ist ein Wandel in Gang gekommen, der eine Neuauslegung des gesamten Systems erfordert. Gemäß den Zielen des European Green Deals, der eine vollständige Klimaneutralität der EU bis zum Jahr 2050 anpeilt, wird eine neue Systemarchitektur zu errichten sein. Thermische Kraftwerke werden mittelfristig auf ein Minimum reduziert und deren Erzeugungskapazitäten im Wesentlichen durch Wind- und Solar-­Kraftwerke ersetzt. Dies wird aber zweifellos hohe Herausforderungen im Hinblick auf die Stabilisierung der Netze mit sich bringen, die den starken Schwankungen dieser volatilen Energieressourcen ausgesetzt sind. Dafür braucht es neue Technologien. Und genau an diesem Punkt wird aller Voraussicht nach die älteste Form der erneuerbaren Energien ins Spiel kommen: die Wasserkraft, die wie keine andere Energieform für den erforderlichen Ausgleich im Netz sorgen kann. Aber dafür wird auch eine ganze Reihe an Anpassungen und technischen Innovationen umzusetzen sein. Um die Wasserkraft für diese anspruchsvolle Aufgabe zukunftsfit und bereit zu machen, hat sich im Rahmen der European Energy Research Agency (EERA) ein hochkarätiges Forschungsnetzwerk zusammengeschlossen, das sehr umfassend über ganz Europa verteilt die aktuellen Forschungsagenden vorantreibt. Der Koordinator im so wichtigen Sub-Programme „Digitalisierung“ ist gerade in Österreich sehr gut bekannt: Dr. Eduard Doujak von der TU Wien, der sich für ein garantiert Virus-geschütztes Interview per Skype mit zek HYDRO Zeit nahm.

zek: Herr Dr. Doujak, vor einigen Monaten wurde das renommierte Energie-Forschungsnetzwerk der European Energy Research Agency, kurz EERA, um das Joint Programme Hydropower erweitert. Können Sie kurz umreißen, wie es dazu kam und welche Ziele damit verfolgt werden?
Doujak: Das ist vor allem den Initiatoren der Norwegian University of Science and Technology (NTNU) zu verdanken, die sich für die Aufnahme in das Netzwerk eingesetzt hatten. Wie einige andere Universitäten auch, wurde aus diesem Grund die TU Wien angefragt. Wir fanden, dass der Zusammenschluss eine gute Idee ist und interessante Perspektiven bietet. Daher sind wir heute auch Teil der EERA. Generell verfolgt dieses Forschungsnetzwerk das Ziel, die Transformation des europäischen Energiesystems für eine klimaneutrale Gesellschaft bis zum Jahr 2050 voranzutreiben. In diesem Dachverband sind rund 50.000 europäische Forscher vernetzt, die in unterschiedlichsten Bereichen aktiv sind.
zek: Wer kann heute in diesem Netzwerk Mitglied werden?
Doujak:  Es ist ein Forschungsnetzwerk, in dem nur Universitäten und Forschungseinrichtungen Mitglieder werden können.

zek: Kommen wir zur Wasserkraft: Wie ist das Joint Programme Wasserkraft mit seinen 6 Sub-Programmes strukturiert und organisiert?
Doujak: Das ist sehr einfach: Jedes der sechs Sub-Programmes wird von einem Koordinator plus dessen Vertreter geleitet. Zusammen mit dem Joint Pogram-Koordinator sind es letztlich gerade 15 Personen, die das Management Board bilden und sich einmal im Monat zu einem virtuellen Treffen einfinden. Sie sitzen verteilt über ganz Europa.

zek: Einer der Sub-Programme-Koordinatoren sind Sie – zuständig für den Bereich Digitalisierung. Was versteht man eigentlich im Bereich Wasserkraft genau darunter?
Doujak: Gar keine so einfache Frage, weil Digitalisierung heute ein Schlagwort geworden ist, unter dem sehr vieles subsummiert wird. Daher haben wir klare Definitionen vorgenommen: Zuerst einmal haben wir den Begriff für die Maschinenebene definiert. Es betrifft vor allem den Bereich Sensorik, Datenauswertung, Maintenance und diverse Metatrends. Eine Ebene darüber zielt die Definition auf die gesamte Anlage ab – dabei geht es um die Kraftwerksoptimierung. Und eine weitere Ebene darüber erreiche ich das Systemlevel: Dabei geht es um Fragen, wie ganze Kraftwerksketten für das Netz optimiert werden können. Zusätzlich wird der Begriff Digitalisierung auch für Umweltfragen relevant: Dabei spielen digitale Rechenmodelle auch bei Umwelteinflüssen und äußeren Randbedingungen, wie etwa beim Geschiebetransport, eine immer größere Rolle. Heute gibt es Monitoringsysteme, die den Geschiebeweg durch den Stauraum erfassen. In neuen Modellen wird dies heute mit Niederschlägen verknüpft, um die Verfrachtung der Sedimente genau prognostizieren zu können. Abgerundet wird das breite Feld der Digitalisierung durch den sozialen Bereich, in dem der Fokus auf den gesamten Arbeitsablauf im Betrieb gerichtet wird.

zek: Wo liegen die Schwerpunkte im Bereich der Maschinenebene?
Doujak: Nach wie vor geht es dabei sehr viel um die Sensorik: Welche Sensoren kann ich wofür verwenden? Was wird benötigt, um Schädigungsmechanismen auflösen zu können? Wir haben in diese Forschungen viel Zeit und Rechenstunden investiert. Für die Untersuchungen von transienten Betriebsbereichen, wie zum Beispiel der Wirbelzopfbildung im Teillastbereich, dem Start-Stopp einer Maschine oder dem Lastabwurf, beliefen  sich diese in den letzten zwei Jahren auf rund 2 Millionen CPU-Stunden. Diese Ergebnisse sollen im Detail übrigens an der Viennahydro im Herbst vorgestellt werden.

zek: Bezogen auf die CFD Rechnungen klingt das danach, als ob immer noch befürchtet wird, dass die anfallenden Datenmengen nicht mehr handhabbar seien?
Doujak: Natürlich, große Datenmengen sind oft vor Ort nicht mehr speicherbar. Man muss sich schon im Vorfeld überlegen, welche Erkenntnisse man gewinnen will und danach die Parameter für das sogenannte Post-Processing abspeichern. Man kann unmöglich alle Parameter abspeichern, weil dies die Festplattenkapazität sprengen würde.

zek: Spielt in diesem Zusammenhang das Thema High Performance Computing HPC und künstliche Intelligenz KI eine Rolle?
Doujak: Ja durchaus, wobei man hier auch differenzieren muss: HPC kommt sowohl im Bereich der numerischen Simulation (CFD) als auch bei der Verarbeitung von vielen Sensordaten zur Anwendung. KI kommt mehr oder weniger bei der Sensordatenverarbeitung und der Interpretation zur Anwendung. Bei numerischen Simulationen kommt man heute ohne HPC kaum mehr aus, und  in der Zukunft wird man im Bereich der Sensordatenverarbeitung wohl an dieser Technologie auch nicht vorbeikommen. Dabei geht es um die parallele Messdatenverarbeitung unter realen Bedingungen – also live. Das Thema KI ist auf Maschinenebene – Stichwort Machine Learning ML – derzeit ein Thema. Es kann natürlich sein, dass wir in weiterer Zukunft auch bei der numerischen Simulation über KI nachdenken, aber da sind wir – glaube ich –noch sehr weit weg.

zek: Auch das Stichwort vom „Digitalen Zwilling“ ist sehr präsent. Wo findet es in der Wasserkraft seinen Niederschlag?
Doujak: Auch beim digitalen Zwilling sollte man klar definieren, was darunter zu verstehen ist und was man damit eigentlich anfangen möchte. Wie wir es auf industrieller Ebene verstehen, stellt er ein virtuelles Abbild des Realen in 3D-Form dar, das man mitunter heute auch schon mittels VR-Brille besichtigen kann. Auf universitärer Ebene betrachtet, wird die Technik des Digitalen Zwillings so definiert, dass man damit eine Kopplung der virtuellen und der realen Welt ermöglicht. Auf diese Weise lassen sich Probleme verstehen und vermeiden, bevor sie überhaupt auftreten. Man kann neue Betriebsvarianten in Simulationen testen und optimierte Prozesse gegebenenfalls wieder auf die reale Anlage rückübertragen. Das Thema ist in der Wasserkraft angekommen, und bildet ein weitreichendes Potential für die Zukunft. So greifen zum Beispiel Hersteller bereits heute in Fertigungsprozessen vermehrt auf diese Technologie zurück.

zek: In einen größeren Zusammenhang gestellt: Was kommt auf die Wasserkraft zu?
Doujak: Genau kann Ihnen diese Frage wohl niemand seriös beantworten. Aber meiner persönlichen Einschätzung nach wird die Wasserkraft in Richtung Netzstabilisierung rücken, um auch weiterhin wirtschaftlich arbeiten zu können. Das trifft vor allem auf unsere Breiten zu. Global gesehen muss der Einsatzbereich wohl breiter gefasst werden. So soll im Rahmen eines Horizon 2020 Forschungsprojektes in Zentralasien eine Demonstrations- und Forschungsanlage errichtet werden, die ein Bündel an Aufgaben übernehmen soll: Von der Bewässerung, über den Hochwasserschutz, Geschiebemanagement bis hin zur Stromproduktion und Netzstabilisierung – also ein sehr breites Aufgabenfeld unter modernsten Gesichtspunkten.

zek: Wenn es in Richtung Netzstabilisierung geht, was bedeutet das in weiterer Folge für die Kraftwerksbetreiber?
Doujak: Maschinentechnisch bedeutet das natürlich eine Erhöhung der Flexibilisierung. Das heißt, es wird der gesamte Betriebsbereich freigegeben. Und das bleibt nicht ohne Folgen. Wir haben für diese Fragestellung eine Maschine untersucht, unterschiedliche Lastkollektive durchgerechnet und uns angesehen, was passiert, wenn sich die Betriebsweise derart ändert: In diesem konkreten Fall stellte es sich so dar, dass die Maschine um den Faktor 6 schneller altert, wenn sie derart flexibel am Netz arbeitet. Allerdings muss man betonen, dass dies keine allgemeine Aussage ist und wir mit diesen Untersuchungen eher noch am Anfang stehen. Um eine generelle Aussage treffen zu  können, bedarf es noch weiterer Untersuchungen an unterschiedlichen Maschinentypen.

zek: Was bräuchte es, um die Maschinen dafür betriebsbereit und zukunftsfit zu machen?
Doujak: Es braucht Veränderungen am Maschinendesign, die Turbinen müssten robuster werden. Das passiert heute bereits in den jüngst gebauten Pumpspeicherkraftwerken. Die Schaufeln wurden in dem Fall dicker, die Querschnitte steifer. Das Problem dabei: Man verliert an Wirkungsgrad. Schaut man sich ältere Anlagen an, stellt sich die Frage: Wo kann der Hebel angesetzt werden? Und wie kann ich die Anlage weiterhin wirtschaftlich betreiben? Das ist die essentielle Frage: Wenn ein Betreiber weiß, dass bei dieser Betriebsweise die Anlage um x-Jahre schneller kaputt geht, kann er dies dem Erlös gegenüberstellen. Wenn er dieses x aber nicht kennt, wo setzt er dann an? Woher weiß er, dass er am Ende des Tages noch profitabel sein wird? Das heißt, es bedarf umfangreicher Untersuchungen, um darauf seriöse Antworten liefern zu können. Da liegt noch viel Arbeit vor uns.

zek: Wo sehen Sie die Vorteile, dass die Wasserkraftforschung in der EERA miteingebunden ist?
Doujak: Die Hauptintention liegt darin, gesamtheitliche Lösungen zu entwickeln. Dafür ist es sicher ein Vorteil, dass man heute gemeinsame Projekte für die Zukunft plant. Es geht auch darum, die Wasserkraft in einen breiteren Konnex zu betten. Deshalb versuchen wir auch eine Art von transversaler Forschung zwischen den einzelnen Joint Programmes in die Wege zu leiten. Gerade im Bereich Digitalisierung können auch sehr unterschiedliche Bereiche voneinander stark profitieren. Daher glaube ich, dass wir uns gerade in einer sehr spannenden Phase befinden.