Bachelor- oder Studienarbeit

Motivation / Hintergrund der Aufgabenstellung

Die Stabilität von Fernwärme- und Fernkältenetzen der 5. Generation (5GDHC) hängt entscheidend von einem Gleichgewicht zwischen Wärmeangebot und -nachfrage ab. Um eine Überhitzung oder ein Auskühlen des Netzes zu verhindern, müssen die dezentralen Prosumer koordiniert werden. Eine rein technische Steuerung kann komplex und aufwendig sein. Ein vielversprechender, alternativer Ansatz ist die Schaffung von ökonomischen Anreizen mittels eines digitalen Marktplatzes. Die zentrale Idee ist, die Teilnahme am Netz dynamisch zu bepreisen: Bei einer hohen Netztemperatur kostet die zusätzliche Aufnahme von Wärme eine Gebühr, während sie bei einer niedrigen Netztemperatur eine Vergütung einbringt. So entsteht ein Anreiz für die Teilnehmer, sich netzdienlich zu verhalten. Diese dynamischen Preissignale können als entscheidende Einflussgröße für zukünftige, KI-basierte Regelungsagenten (MARL) dienen, die lernen, auf diese Anreize optimal zu reagieren. Bevor solche Agenten jedoch agieren können, muss zuerst die Plattform, die diese Preise generiert und die Entgelte berechnet, konzipiert und entwickelt werden.

Aufgabenstellung / Aufgabenschwerpunkt

Das Ziel dieser Arbeit ist die Konzeption und prototypische Implementierung genau dieses digitalen Marktplatzes als Informationssystem. Der Fokus liegt auf dem Design und der Umsetzung der Logik, die basierend auf dem physikalischen Netzzustand (insbesondere der Temperatur) dynamische Entgelte für die Netzteilnehmer berechnet, wobei die unterschiedlichen technischen Möglichkeiten, ökonomischen Zwänge und Verhaltensweisen der Akteure explizit berücksichtigt werden sollen. Es soll ein klares Regelwerk für die Preisbildung und die Verrechnung der Kosten und Gutschriften geschaffen werden. Das Ergebnis ist eine prototypische Software, die nicht nur die grundsätzliche Machbarkeit demonstriert, sondern durch die Simulation von Extremszenarien auch die Grenzen und potenziellen Schwachstellen des Preismodells aufzeigt.

Schwerpunkte der Arbeit sind:

• Recherche: Analyse von Anreizsystemen und dynamischen Tarifen in modernen Energiesystemen, insb. 5GDHC
• Systematische Analyse: Definition und Charakterisierung heterogener Marktteilnehmer und Modellierung ihrer möglichen Verhaltensweisen
• Konzeption des Preisbildungsmechanismus: Entwicklung einer mathematischen Funktion, die den Netzzustand in einen spezifischen Preis für Wärmeaufnahme oder -abgabe übersetzt
• Modellierung des Informationssystems: Formale Beschreibung der Datenflüsse und der Systemarchitektur (z.B. mittels UML-Diagrammen), um die Erfassung von Verbrauchsdaten, die Preisberechnung und die Verbuchung von Entgelten abzubilden
• Prototypische Implementierung: Entwicklung eines lauffähigen Prototypen, der die entwickelten, heterogenen Prosumer-Profile mit ihren unterschiedlichen Verhaltensstrategien simuliert. Das Programm soll sowohl typische Betriebsszenarien als auch gezielte Extremszenarien abbilden, um die resultierenden Entgelte zu berechnen und die Robustheit sowie die Limitierungen des Preismodells aufzuzeigen
• Bewertung: Diskussion der entwickelten Preisbildungsdynamik und Bewertung des Konzepts im Hinblick auf seine Anreizwirkung, Fairness und Robustheit unter den simulierten Szenarien

Inhaltliche Aufteilung

0% Experimentell | 20% Recherche | 40% Theoretisch/Konzeptionell | 40% Simulation/Programmierung | 0% Konstruktion

Voraussetzungen

• Studierende/r des Maschinenbaus, der Wirtschaftsinformatik, der Informatik, des Wirtschaftsingenieurwesens oder verwandter Fachgebiete
• Gute Programmierkenntnisse in einer geeigneten Sprache (vorzugsweise Python)
• Interesse an Marktdesign, Anreizsystemen und Energietechnik
• Erfahrungen mit Datenmodellierung oder UML sind von Vorteil
• Fähigkeit zum eigenständigen, systematischen und zielorientierten Arbeiten