Moderne Systemanalyse agiert in einem herausfordernden Umfeld. Umfangreiche technische, wirtschaftliche, gesellschaftliche, ökologische und politische Rahmenbedingungen fließen in die Berechnungen ein, um belastbare Ergebnisse zu erhalten. Hinzu kommen ein immer komplexeres Energieversorgungssystem und eine stetig steigende Menge potenzieller Entwicklungspfade, die es zu berücksichtigen gilt.

Mit steigendem Umfang der Eingangsdaten nimmt auch der Aufwand zu, Szenarien kontinuierlich zu erstellen. Damit modellbasierte Energiesystemanalyse und Technologiebewertung effektiv die politische oder unternehmerische Entscheidungsfindung unterstützen und evaluieren können, müssen sie somit immer höheren Anforderungen gerecht werden.

Je mehr Parameter in die Funktionsweise des Energiesystems einfließen, desto detaillierter müssen die Modelle sein. Dies bedeutet im Umkehrschluss: je mehr Daten, Berechnungen, Quellen und Aspekte in die Modellierung einfließen, desto weniger transparent ist das Ergebnis. Da jedoch Transparenz eine wichtige Vertrauensbasis für systemanalytische Berechnungen ist, wenn es darum geht auf dieser Grundlage Weichenstellungen für die Zukunft vorzunehmen, sind Lösungen gefragt.

Schneller, besser und günstiger modellieren

Genau hier hat das Team des Forschungsprojekts SzenarienDB angesetzt. Das Vorhaben zielte darauf ab, Szenarienanalysen nachvollziehbarer zu machen und zugleich eine gemeinsame qualitativ hochwertige Datenbasis zu schaffen. Zusätzlich soll dadurch auch der Zeit- und Kostenaufwand sinken, die Eingangsdaten für Modellierungen zu ermitteln. Das ist den Projektpartnern gelungen, indem sie eine offene Datenbankstruktur zur frei zugänglichen Ablage von Szenariendaten mit zahlreichen unterstützenden Features geschaffen haben. Neben Transparenz-, Zeit- und Kostenfaktoren, trägt diese Lösung dazu bei, die Reproduzierbarkeit der Forschungsergebnisse in der Energiesystemanalyse weiter zu verbessern.

Mit der Open Energy Ontology (OEO) haben die Verbundpartner Begriffe in der Energiesystemanalyse standardisiert. Das vereinfacht künftig die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Energiesystemmodellen und erleichtert es, Daten und Szenarien auszutauschen. Die erste Version der Open Energy Ontology ist seit Mitte 2020 online verfügbar. Während Ontologien in der Informatik und anderen Forschungsgebieten kein neues Konzept sind, gab es bislang jedoch keine Ontologie für die Energiesystemanalyse. Diese Lücke hat das Team rund um Projektkoordinatorin Mirjam Stappel vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik IEE nun geschlossen.

Die OEO ist eingebunden in die Open Energy Plattform (OEP). „Die Open Energy Ontology bietet eine Vereinheitlichung der Begriffe, die in der „Welt“ der Energiesystemforschung genutzt werden. Das schafft Klarheit, zum Beispiel bei der Beschreibung von Datensätzen. Es handelt sich um eine offene Ontologie. Damit kann die Open Energy Ontology unabhängig von der Open Energy Platform genutzt werden“, erklärt Mirjam Stappel.

Für Szenarien im Kontext der Energie- und Klimapolitik stellt die Open Energy Ontology  eine gemeinsame Anlaufstelle für umfassend dokumentierte Eingangs- und Ergebnisdaten bereit, die dank eines Metadaten-Qualitätsmanagementsystems für die Nutzerinnen und Nutzer klar nachvollziehbar sind. Dazu trägt unter anderem auch die standardisierte Darstellung von wesentlichen Szenarioinformationen in Factsheets bei. Hinzu kommen Suchfunktionen und Schnittstellen, die Berücksichtigung lizenzrechtlicher Fragen und eine hohe Benutzungsfreundlichkeit. Das Forschungsteam hat damit die Werkzeuge der Open Energy Family weiterentwickelt.

Daten mit offenen Lizenzen für alle

Das Ziel des Forschungsteams von SzenarienDB war es, eine öffentlich frei zugängliche Datenbank bereitzustellen mithilfe derer Fachleute Szenariodaten für eigene Berechnungen abrufen und frei nutzen können. Darunter versteht man alle Daten, die im Zusammenhang mit Szenarioberechnungen stehen. Sie beinhalten den Szenariorahmen, Input- als auch Output-Daten, aber auch die getroffenen Annahmen. Dies erhöht die Transparenz für die Nutzerinnen und Nutzer. Darüber hinaus hat das Team die Daten mit den Modellbeschreibungen verknüpft.

Zu den Szenariodaten für die Berechnungen zählen eine große Bandbreite möglicher Parameter. Wetterdaten fallen hier ebenso darunter, wie historische, technische, wirtschaftliche, ökologische und politische Entwicklungen und darauf aufbauende Annahmen für zukünftige Entwicklungen. Aber auch Ausbaupfade für erneuerbare Energietechnologien, die Nachfrageentwicklung (Stromverbrauch, Verkehrs-, Gebäude- und Industrieprozesswärme) sowie Annahmen zu Investitions- und Betriebskosten, Finanzierung, Energieträger- und CO₂-Zertifikatskosten zählen zu den möglichen Eingangsdaten. Die Open Energy Plattform enthält neben Daten (inklusive der Metadaten) auch Szenarien- und Modellfactsheets und macht damit die Datenarbeit für die Systemanalyse insgesamt effizienter.

Alle Daten in der OEP sind mit einer offenen Lizenz versehen. Das ermöglicht es Dritten die Informationen ebenfalls zu nutzen. Die konkrete Lizenz ist jeweils in einem umfangreichen Metadatensatz dokumentiert. Dieser enthält Informationen zum Kontext, Quellen, Nutzungsbedingungen und weiteren Spezifikationen. Die Metadaten basieren auf den FAIR-Prinzipien: Auffindbarkeit, Zugänglichkeit, Interoperabilität, Wiederverwendbarkeit.

Qualitätsmanagement für mehr Vertrauen

Viele der für systemanalytische Betrachtungen genutzten Daten sind potenzielle Annahmen über die Zukunft. Somit bieten diese Parameter oft eine große Varianz. Für die wissenschaftliche Vergleichbarkeit der erstellten Untersuchungen ist es somit entscheidend zu wissen, welches Energiesystemmodell und welche Eingangsdaten das Forschungsteam verwendet haben. Bislang werden diese Informationen noch nicht standardmäßig mitpubliziert.

Ihre Daten können Forschende neben dem Abrufen von Daten von der Plattform für eigene Modelle laut Mirjam Stappel selbst auf der Platform veröffentlichen. „Hier gibt es verschiedene Wege. Es gibt dafür zum Beispiel einen Upload-Wizard, der durch den Upload leitet, oder eine Anwendungsschnittstelle“, erläutert sie. Über diese Anwendungsschnittstelle (API) können Anwenderinnen und Anwender Daten, Codes und die zugrundeliegenden Annahmen ihrer Modellierung dokumentieren und veröffentlichen. So entsteht Reproduzierbarkeit und Transparenz bei den Berechnungen. Der umfangreiche Metadatensatz zur Dokumentation und Nachvollziehbarkeit der veröffentlichten Daten für Dritte wird im Anschluss im Rahmen des Qualitätsmanagements der Open Energy Platform einem Reviewprozess unterzogen.

Mit der Open Energy Ontology und dem Aufbau der Ontologie haben die vier Projektpartner somit einen wertvollen Beitrag zur Weiterentwicklung des Forschungsbereichs der Energiesystemanalyse geleistet und zu Transparenz, Validität und Reproduzierbarkeit von Modellberechnungen beigetragen.  (ml)