Realisierung von Beschleunigungsstrategien der anwendungsorientierten Mathematik und Informatik für optimierende Energiesystemmodelle

Zentrales Ziel des BEAM-ME-Projekts war die signifikante Reduktion der Losungszeiten fur Energiesys-temmodelle, die als lineares Optimierungsproblem in GAMS (General Algebraic Modeling System) formuliert sind, sowie die Losung bisher unlosbarer derartiger Probleme. Um dieses Ziel zu erreichen wurden verschiedene Methoden evaluiert, und deren Wirkung im Rahmen eines Modellexperiments fur verschieden formulierte und fokussierte Modelle verglichen. Die zwei zentralen Saulen der Modellbeschleunigung sind einerseits die Anwendung von modellbasierten Methoden (Kapitel 2) und andererseits die Nutzung von Losungsalgorithmus-basierten Methoden (Kapitel 3). Die modellbasierten Methoden umfassen im Wesentlichen verschiedene Ansatze der raumlichen und zeitlichen Aggregierung, sowie der heuristischen und mathematisch exakten Problemzerlegung (Dekomposition). Sie stellen den Hauptteil der bislang genutzten Beschleunigungsstrategien fur Energiesystem-Optimierungsmodelle dar und bieten den Vorteil, dass sie in der Regel durch Anpassungen von Quellcodes oder Vorprozessieren von Eingangsdaten von Modellanwendern selbst entwickelt und implementiert werden konnen. Im Rahmen von BEAM-ME wurden sie uberwiegend in das Energiesystemmodell REMix, punktuell aber auch in andere Modelle implementiert, sowie bewertet. Neben der Reduktion der Losungszeit war bei der Untersuchung auch die Auswirkung auf die Genauigkeit der Ergebnisse von wesentlicher Bedeutung (Abbildung 1). Als zentrales Ergebnis der Evaluation modellbasierter Methoden konnte gezeigt werden, dass mit vertretbaren Einschrankungen bezuglich der Genauigkeit, Heuristiken die Rechenzeit groser Modelle bis zu einem Faktor 10 senken konnen. Gleichzeitig wurde dabei deutlich, dass fur weitere Modellbeschleunigungen parallelisiertes Rechnen unabdingbar ist. Diese Lo-sungsalgorithmus-basierten Methoden wurden ebenfalls im Projekt untersucht. Kern der Untersuchung von Losungsalgorithmus-basierten Methoden war die Entwicklung des Losers PIPS-IPM++, welcher das parallelisierte Losen von linearen Optimierungsproblemen auf Hochleistungs-rechnerarchitekturen ermoglicht. Er basiert auf dem Open-Source Loser PIPS-IPM und wurde im Rahmen von BEAM-ME umfangreich weiterentwickelt um eine Nutzung fur typische Probleme der Energiesystemoptimierung zu ermoglichen. Diese Problemkategorie zeichnet sich durch viele so genannte „Linking Constraints“ (verknupfende Restriktionen) aus, welche zur Modellierung von Netzen, Speichern und CO2-Emissionsbeschrankungen erforderlich sind. Dafur wurde der Loser unter anderem so angepasst, dass er neben verknupfenden Variablen („Linking Variables“) auch eine grose Anzahl an verknupfenden Restriktionen („Linking Constraints“) parallel verarbeiten kann. Fur eine bessere Integration wurde im Rahmen des Projektes eine Schnittstelle zwischen GAMS und PIPS-IPM++ entwickelt. Grundlage hierfur ist die ebenfalls neu geschaffene Moglichkeit der Annotation von Blockstrukturen in GAMS-Modellen, die eine Zerlegung sehr groser Probleme in viele kleine Blocke erlaubt, was wiederum fur eine parallele Anwendung der Losungsalgorithmen unabdingbar ist. Mit der Entwicklung von PIPS-IPM++ und der Anpassung der Energiesystemmodelle wurde die Nutzung von Hochstleistungsrechnern (High Performance Computer, HPC) fur die Energiesystemanalyse erschlossen. Die im Rahmen von BEAM-ME erreichten Fortschritte erlauben eine Reduktion der Losungszeit linearer Optimierungsprobleme der Energiesystemanalyse bis zu einem Faktor 26. Durch effiziente Problemzerlegung und Nutzung von PIPS-IPM++ sind fernerhin vorher unlosbare Probleme losbar geworden. Die erreichten Fortschritte auf technischer Seite lassen sich exemplarisch anhand eines typischen wissenschaftlichen Rechencluster aus gekoppelten Servern darstellen. Auf einem solchen System konnte mittels PIPS-IPM++ eine Reduktion der Laufzeit um 76% und eine Reduktion des benotigten Arbeitsspeicherbedarfes je Rechenknoten um 96% erreicht werden. Auf dedizierten hochparallelen Grosrechnern wie dem Supercomputer Juwels am Julich Supercomputing Centre (JSC) reduzierte sich die Laufzeit in einigen Fallen um 96%. Diese Fortschritte erlauben eine signifikante Erweiterung der Analysetiefe von Energiesystemmodellen (Kapitel 4). Fur REMix wurde die zugangliche raumliche Auflosung von etwa 50 auf uber 1000 Modellknoten erhoht, die Optimierung von Transformationspfaden statt einzelner Stichjahre realisiert, die Betrachtung weiterer Technologien und Sektoren ermoglicht, und die Moglichkeit gros angelegter Parameterraumanalysen geschaffen. Das BEAM-ME-Projekt sties auf breites Interesse in der Wissenschaftsgemeinde, was sich insbesondere durch groses Interesse an einer Teilnahme am Modellexperiment, vielfaltige Anfragen, rege Teilnahme am Abschlussworkshop sowie zahlreichen Veroffentlichungen manifestierte.