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Energie sparen durch mathematische Optimierung

Nürnberg – Den größten Teil und damit 2% des bundesweiten Energieverbrauchs stellt die Deutsche Bahn dar. Ursache dafür sind die immensen Leistungen, die zum Anfahren und Beschleunigen der Züge nötig sind. Nun versucht die Deutsche Bahn in Zusammenarbeit mit Mathematikern der FAU-Nürnberg/Erlangen den Energieverbrauch mit Hilfe mathematischer Optimierung zu verringern.


Was bedeutet Optimierung?

Optimierung bedeutet in erster Linie die optimalen Bedingungen eines vielseitigen Themas zu finden. Ziel davon ist, das bestmöglichste Ergebnis zu erhalten, um zum Beispiel mehr Effizienz, Kapazität, Flexibilität oder Qualität zu bekommen. Bei der Optimierung von weniger komplexen Themen lässt sich der optimale Weg oft auch durch lokale Betrachtung ermitteln. Lokale Betrachtung, oder auch das lokale Optimum, meint eine Stelle in näherer Umgebung, die ein aussichtsreicheres Endergebnis hat. Oftmals dauert es mit dieser Methode sehr lange und es findet sich nicht das absolute Optimum. Hierbei kommt die mathematische Optimierung, welche weniger zeitaufwendig ist, ins Spiel. Bei der Bahn findet dies durch Senken der Peak Leistung Anwendung.

Was ist eine Peak Leistung?

Bei der Peak Leistung handelt es sich um den Punkt, an dem der Verbrauch am höchsten ist. Wenn also alle Geräte im Haushalt wie Mixer, Spülmaschine, Föhn, und Herdplatten gleichzeitig in Betrieb sind. Was hier im Kleinen stattfindet, misst bei der Bahn deutlich größere Einheiten. Wenn also beispielsweise alle Züge gleichzeitig abfahren und beschleunigen, summiert sich der Energieverbrauch und so kommt es zu enormen Leistungsspitzen.

Wie also wird bei der Bahn optimiert?

Die Bahn versucht hierbei ihren hohen Energieverbrauch, welcher rund eine Milliarden Euro im Jahr ausmacht, zu senken. Das stellt ein sehr vielschichtiges Problem der Optimierung dar. Viele Nebenaspekte wie Kundenzufriedenheit, Verlässlichkeit, Effizienz und die Vielzahl der verwendeten Züge und Städte spielen dabei eine Rolle.

Um den Energieverbrauch zu optimieren, muss erst das Fahrverhalten innerhalb der Deutschen Bahn analysiert werden. Im Zeitraum von 15 Minuten werden die Zugabfahrten und die entsprechend benötige Leistung beobachtet. Hierbei wurde festgestellt, dass die sogenannte Peak Leistung für den enormen Verbrauch verantwortlich ist.

Durch die Optimierung kommt es dabei lediglich zur minimalen Veränderung der Zugabfahrtszeiten. Dahingehend werden die vielen Nebenaspekte, wie Kundenzufriedenheit oder Verlässlichkeit, nicht oder wenig beeinflusst. In diesem theoretischen Rechenbeispiel erreicht man auf diese Weise rund 107 Euro pro Kilo-Watt Ersparnis. Das macht in der Wintersaison bei einem Verbrauch von etwa 2200 Mega-Watt eine Ersparnis von 240 Millionen Euro.

Anhand eines von der FAU-Nürnberg/Erlangen durchgeführten Testlaufs an einer Zugstrecke in Lichtenfels, lies sich ein noch deutlicherer Erfolg verzeichnen. Dort konnten durch Optimierung 16,4% und somit 430.000 Euro gespart werden.

Zusammenfassend ist also zu sagen, dass Optimierung ein sehr kompliziertes und in der Anwendung vielseitiges Thema ist. Fast jeder Bereich auf der Welt, angefangen mit Industrie und Wirtschaft, weist Möglichkeiten zur Optimierung auf. Viele Menschen, vor allem einige Firmen, wollen nun ihre Konzepte optimieren, um so weiterhin auf dem Konkurrenzmarkt mithalten zu können.
So erhoffen sich zum Beispiel auch die Planer des Projekts der Stadt-Umland-Bahn (kurz: StUB) in Erlangen-Höchstadt einen großen Nutzen davon.

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