Quantencomputing-Algorithmen für Unit Commitment Energiesystem-Modellierung hybrider Ansatz

Das Potenzial von Quanteninformationstechnologien zählt zu den grundlegenden und wegweisenden Kompetenzen der Zukunft. Es besteht die Möglichkeit, mit dem daraus resultierenden Leistungsvermögen Schlüsselbranchen zu revolutionieren. Unter allen Technologien stellen Quantencomputer einen strategisch, zukunftsrelevanten und aktuell nahezu exponentiell wachsendem Forschungs- und Entwicklungsbereich dar, für den jetzt auf nationaler und internationaler Bühne die entscheidenden Weichen gestellt werden. Um ihre Entwicklung voranzutreiben, bindet die DLR Quantencomputing-Initiative (QCI) Partner aus Industrie und Wirtschaft sowie der Forschung ein. So kann das DLR Quantencomputer beschaffen, betreiben sowie für relevante Anwendungen nutzbar machen und eigene Kompetenzen weiterentwickeln. Das Projekt „Anwendungen, Schnittstellen und Datenformate für Algorithmen des Quantencomputing in der Energiesystem-Modellierung“ (Attraqt‘em) ist eines der Projekte aus der DLR Quantencomputing-Initiative und wird geleitet vom DLR- Institut für Vernetzte Energiesysteme (VE). Das Projekt zielt darauf ab, den Quantenvorteil bei Optimierungsproblemen zu erforschen, die bei der Auslegung und dem Betrieb von Energiesystemen auftreten und zur Förderung der Energiewende genutzt werden können. Eine Vielzahl von Herausforderungen im Kontext der Energiewende lassen sich durch Energiesystemmodellierung (ESM) adressieren. Für die Betriebs- und Investitionsentscheidungen werden hierbei Strom-, Gas- und Wärmeversorgung in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung simuliert bzw. optimiert. Das Lösen groß-skaliger Optimierungsprobleme (OP) mit klassischer Hardware und Solver-Software stößt in der ESM zunehmend an Grenzen. Ein vollaufgelöstes OP des Hochspannungsnetzes Deutschlands (Sektorenkopplung inklusive) lässt sich beispielsweise mit herkömmlichen Mitteln nicht mehr mit einem vertretbaren Rechenzeitaufwand lösen. Aus diesem Grund stellt die Entwicklung von Quantenalgorithmen für OP in der ESM eine große Chance dar. Quantenalgorithmen für allgemeine OP werden bereits aktiv erforscht. Im Bereich der ESM werden viele Modelle vereinfachend als lineare Probleme formuliert. Bestimmte Forschungsfragen lassen sich allerdings nur mit den viel rechenintensiveren gemischt-ganzzahligen linearen OP (MILP) adressieren. In Attraqt’em beschäftigt das DLR sich mit drei OP-Typen der ESM, für die MILP von hoher Bedeutung sind:1) das „Unit Commitment“ Problem (UCP), bei dem der optimale Betrieb von Kraftwerken zur Deckung des Energiebedarfs unter Berücksichtigung technischer Restriktionen bestimmt wird; 2) das „Investment Planning“ Problem, bei dem die optimale Anzahl von Stromerzeugern oder Speichern für unterschiedliche Szenarien bestimmt wird; und 3) die Bewertung der Resilienz von Energieversorgungssystemen durch das Testen auf Komponentenausfälle („ResilienceAnalysis“). Gegenstand der vorliegenden Ausschreibung ist insofern, einen Industriepartner (Auftragnehmer) zu finden, dessen Aufgabe in diesem Projekt es sein soll, das UCP in eine Form zu bringen, die von Quantenalgorithmen gelöst werden kann. Neben der bekannten einfachen Übersetzung des Problems in ein QUBO-Problem (Quadratic Unconstrained Bilinear Optimization) soll die Abbildung einen hybriden Ansatz (klassisch/quantisch) verwenden, der die Vorteile beider Welten maximal ausnutzt. Darüber hinaus soll der Algorithmus durch die Bereitstellung einer skalierbaren Reihe von Testfällen und einem Benchmark mit anderen bestehenden Algorithmen getestet werden. In der Praxishandelt es sich dabei um eine Software-Schnittstelle, deren Hauptbestandteile hybride Algorithmen und die entsprechenden Testfälle sind. Diese soll auch den gesamten erforderlichen Code enthalten, um den Algorithmus auf Quantencomputern auszuführen und das Benchmarking durchzuführen. Weitergehende Informationen sind der den Vergabeunterlagen beigefügten Leistungsbeschreibung zu entnehmen.