Mit der Zunahme erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie sowie großflächiger Batteriespeicher im Stromnetz steht die Energiebranche vor einer Herausforderung: Wie kann das zukünftige Stromsystem effektiven Stresstests unterzogen werden, bevor Milliardeninvestitionen in den Bau fließen? Stromnetze, die auf Wind, Sonne und Batterien basieren, verhalten sich anders als herkömmliche Stromsysteme – sie reagieren schneller, sind komplexer aufgebaut und schwieriger vorherzusagen, insbesondere bei Störungen, extremen Wetterereignissen oder plötzlichen Nachfragespitzen. Die Simulation solcher Szenarien mit bestehenden Werkzeugen dauert jedoch oft Tage, was die Anzahl der Hypothesen, die Ingenieure gründlich untersuchen können, einschränkt.

Eine neue Studie unter der Leitung von Doktorand Walid Hatahet, Jared Paull und Associate Professor Dr. Liwei Wang von der School of Engineering der University of British Columbia Okanagan zeigt einen Weg zur Verbesserung auf. Die in der IEEE Open Access Journal of Power and Energy veröffentlichte Forschung demonstriert, wie Ingenieure die Simulationsgeschwindigkeit für die Prüfung von Hochspannungs-Stromsystemen drastisch erhöhen können. Diese Hochspannungssysteme sind die kritische Infrastruktur, die den Strom aus erneuerbaren Quellen von der Erzeugung zum Verbrauch transportiert.

Die Forschung zielt darauf ab, Energieunternehmen und Systemdesignern zu genaueren Vorhersagen zu verhelfen. Hatahet erklärt: „Bevor sie Milliarden in neue Infrastruktur investieren, müssen Energieversorger sicher sein, dass das System unter Belastung sicher funktioniert. Unser Ziel ist es, diese Tests schneller und praktikabler zu machen, ohne die Genauigkeit zu opfern. Diese Arbeit kann den Weg von der Konzeption zum Test verkürzen.“

Die Herausforderung liegt in modernen Leistungswandlern und ihren digitalen Steuerungssystemen, die zur Stromregulierung verwendet werden und oft direkt mit Batterien gekoppelt sind. Sie sind entscheidend für die Integration erneuerbarer Energien, aber ihre Betriebsdetails sind komplex und für herkömmliche Simulationswerkzeuge schwer effizient zu verarbeiten.

Die Studie spiegelt auch die enge Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie wider. Mitautor Wei Li arbeitet bei OPAL-RT Technologies in Montreal, dessen Echtzeit-Simulationsplattform von Energieunternehmen und Netzbetreibern weltweit genutzt wird.

Der Wert der Forschung für Industriepartner ist klar. Jean-Nicolas Paquin, Vice President Engineering & Electrical Technologies bei OPAL-RT Technologies, sagt: „Diese Forschung reagiert direkt auf die Rechenengpässe, mit denen unsere Nutzer konfrontiert sind. Sie hilft Energieunternehmen, komplexe Systeme mit bestehender Hardware realistischer zu testen.“

Das Forschungsteam begegnete dem Problem, indem es neu überlegte, wie Systeme modelliert und Rechenressourcen genutzt werden. Durch die Trennung schneller und langsamer Prozesse und die parallele Ausführung der Simulation auf CPUs und GPUs erreichten die Forscher eine bis zu 79-fache Geschwindigkeitssteigerung gegenüber herkömmlichen Methoden, während die Ergebnisse mit denen hochpräziser Referenzmodelle übereinstimmten. Dieser Unterschied könnte die Art und Weise beeinflussen, wie Stromnetze entworfen werden.

Dr. Liwei Wang sagt: „Schnellere Simulation bedeutet, dass Ingenieure mehr Szenarien testen, Extremfälle erkunden und potenzielle Risiken früher identifizieren können. Das trägt dazu bei, die Systemzuverlässigkeit zu erhöhen und Unsicherheiten zu verringern, wenn erneuerbare Energien und Speicher ins Netz integriert werden.“

Veröffentlichungsdetails: Autoren: Jared Paull et al., Titel: „GPU-Parallel Exponential Integrator Algorithms for Efficient Simulation of Power Electronic Systems“, erschienen in: IEEE Open Access Journal of Power and Energy (2026). Zeitschrifteninfo: IEEE Open Access Journal of Power and Energy