Optimierung und Simulation mit Planungstools
Ein Vergleich zweier Ansätze zur Entscheidungsunterstützung in komplexen Energiesystemen
In der Planung und Steuerung komplexer Systeme – etwa in der Energieversorgung – spielen mathematische Modelle eine zentrale Rolle. Zwei häufig genutzte Ansätze sind Simulation und Optimierung.
Beide liefern wertvolle Einsichten, verfolgen aber unterschiedliche Ziele.
In diesem Beitrag zeigen wir die Unterschiede zwischen beiden Methoden und wie Sie beide in einem Planungstool, wie z.B. dem EIP Energy Investment Planner nutzen können, um optimierte, strategische Entscheidungen zu treffen.
1. Simulation vs. Optimierung: Ein Vergleich
Kriterium | Simulation | Gemischt-ganzzahlige Optimierung |
Ziel | Systemverhalten unter vorher festgelegten Annahmen | Beste Lösung unter gegebenen Zielen bestimmen |
Entscheidungs- | Unterstützend | Direkt ableitbar |
Szenario- | Einzel- oder Seriensimulation | Automatisch in einem Modell oder sukzessive |
Rechen- | Gering bis mittel | Mittel bis hoch (abhängig vom Modell) |
Aussagekraft | Beschreibend | Entscheidungsorientiert |
2. Simulation: Was wäre, wenn?
Die Simulation beantwortet Fragen der Art „Was passiert, wenn…?“. Sie bestimmt die Systemleistung unter bestimmten Annahmen und Eingaben – etwa bei
- der Änderung der Nachfrage,
- dem Ausfall einer Leitung oder
- dem Bau eines neuen Speichers.
Die Simulation liefert Systemreaktionen auf vorher festgelegte Szenarien. Dabei folgen Entscheidungen (wie z.B. „Soll bei Ausfall der Anlage A die Leistung von Kraftwerk B oder C erhöht werden?“) festen, vorgegebenen Regeln.
Vorteile der Simulation:
- Gut geeignet zur Untersuchung einzelner Szenarien
- Verständlich und visuell gut darstellbar
- Wichtiges Werkzeug zur Risikoabschätzung
- Eine Vielzahl von technischen, wirtschaftlichen und regulatorischen Regeln kann exakt abgebildet werden
Grenzen:
Die Simulation findet keine optimale Lösung – sie zeigt nur, was bei einer vorgegebenen Lösung passieren würde.
Wie findet man jedoch die besten Vorgaben zum Simulieren? Da kommt die Optimierung ins Spiel.
3. Optimierung: Was ist der beste Weg?
Die Optimierung geht einen Schritt weiter:
Sie sucht unter einer Vielzahl möglicher Handlungsoptionen gezielt die beste Lösung. Dabei kann sie diskrete Entscheidungen (z. B. Bau / Nichtbau eines Kraftwerks) mit kontinuierlichen Größen (z. B. Energieflüsse, Investitionsvolumen) kombinieren. Das macht sie besonders mächtig in realitätsnahen Modellen.
Optimierung basiert auf einem mathematischen Modell, das mit Hilfe von Gleichungen die Wirklichkeit abbildet. Eine dieser Gleichungen – die sogenannte Zielfunktion – misst die Güte einer Lösung als Ganzes und wird im Rahmen der Optimierung maximiert oder minimiert. Je nach der Natur dieser Gleichungen wird zwischen linearer, nichtlinearer und gemischt-ganzzahliger (nicht-)linearer Optimierung unterschieden. Die Unterschiede bestehen zum einen im Abstraktionsgrad des Modells, das die Wirklichkeit abbilden soll, zum anderen im erforderlichen Rechenaufwand und der mathematischen Möglichkeit, eine Lösung zu finden.
Vorteile der mathematischen Optimierung:
- Ermöglicht eine ganzheitliche Systembewertung unter Berücksichtigung vieler Einflussgrößen
- Spart Zeit und Aufwand im Vergleich zur manuellen Analyse von vielen Szenarien
- Identifiziert diejenigen Einflussfaktoren mit dem größten Einfluss auf die Zielfunktion
- Führt im Falle von linearer und gemischt-ganzzahliger Optimierung direkt zur besten Entscheidung oder einer Abschätzung gemäß definierter Zielgrößen (z. B. minimale Kosten, maximale Deckung)
4. Fazit: Simulation zeigt was passiert, Optimierung zeigt die beste Lösung
Simulation ist ein wertvolles Werkzeug, um komplexe Systeme und deren Einflussfaktoren besser zu verstehen. Wenn es jedoch um strategische Planung, Investitionsentscheidungen oder die Gestaltung von Versorgungsnetzen geht, liefert die gemischt-ganzzahlige Optimierung einen entscheidenden Mehrwert:
Sie zeigt nicht nur, was passieren könnte, sondern was am besten zu tun ist.
Im EIP Energy Investment Planner kombinieren wir beide Konzepte.
Wir nutzen Optimierung, so dass alle zu treffenden Entscheidungen optimal getroffen werden. Gleichzeitig ist es möglich, Szenarien zu definieren in denen Entscheidungen fixiert wurden (z.B. Neue PV-Anlage), um deren Auswirkung zu untersuchen, also zu simulieren.
UND...mit einer Optimierung ist man in der Lage, anderweitig "unlösbare" Fragen zu beantworten, was wir richtig cool finden.
Wenn Sie Fragen zur strategischen Planung haben, sprechen Sie uns gerne unverbindlich per E-Mail an und vereinbaren einen Termin für ein Evaluierungsgespräch. Hier können wir gemeinsam klären, inwieweit Simulation bzw. mathematische Optimierung Sie unterstützen kann.
Mit uns können Sie rechnen!
