Mit Mathematik gegen den Blackout

?Wir haben schon richtig grosse Sachen gemacht. Ein Beispiel ist die Steuerung eines 100-Kilowatt-Wechselrichters ¨C datenbasiert und mit KI?, sagt ETH-Professor Florian D?rfler. ?Wenn diese Steuerung nicht richtig funktioniert, ¨¹berhitzt der Wechselrichter und das ganze Geb?ude, in dem er steht, brennt ab.? Solche sicherheitskritischen Anwendungen, die keinen Fehler verzeihen, findet er spannend. ?Wenn ein Roboter umf?llt, ist das egal, wenn ein Geb?ude abbrennt, nicht.?

D?rflers Fachgebiet ist die Regelungstechnik. Gestern wurde er mit dem R?ssler-Preis ausgezeichnet, dem h?chstdotierten F?rderpreis f¨¹r herausragende junge Professorinnen und Professoren der ETH Z¨¹rich (siehe Kasten).

Bevor seine Steuerungen in Wechselrichtern oder anderswo in Energiesystemen zur Anwendung kommen, beginnt D?rfler mit Mathematik. Ihn interessieren die ganz fundamentalen Ans?tze: wie Systeme mithilfe von Modellen oder datenbasiert und mit KI optimiert werden k?nnen, wie man in einem System st?rende Schwingungen mithilfe einer Echtzeit-R¨¹ckkoppelungsteuerung vermeidet oder wie man die Untereinheiten eines hochkomplexen Systems miteinander synchronisiert.

Was mit Theorie, mit trockenen mathematischen Beweisen oder einem Algorithmus beginnt, f¨¹hrt bei ihm oft nach etlichen Jahren zur L?sung eines echten praktischen Problems. D?rfler erf¨¹llt das dann mit Stolz ¨C nicht nur, dass er zur L?sung des Problems beitragen konnte, sondern auch, dass er mit seinem Team den kompletten Weg von der Theorie bis hin zur Anwendung geschafft hat.

Algorithmus h?lt Stromnetz stabil

Ein Beispiel f¨¹r eine solche Anwendung sind die Algorithmen, die bei den Aargauer Elektrizit?tswerken, einem regionalen Energieversorger, den Solarstrom ins Netz einspeisen. Es geht da um die Verteilung von Wirkleistung und Blindleistung. W¨¹rde Solarstrom nur als Wirkleistung ins Netz eingespiesen, k?me es bei viel Sonnenschein zu Spannungsspitzen, das Netz w¨¹rde ¨¹berlastet.

Im Prinzip liesse sich mit dem Bau von zus?tzlichen Leitungen oder Batteriespeichern Abhilfe schaffen. Doch das kostet. D?rflers L?sung kam g?nzlich ohne zus?tzliche Infrastruktur aus und war daher wesentlich g¨¹nstiger: Er baute in die Steuerungssoftware in der Zentrale der Elektrizit?tswerke einen zus?tzlichen Algorithmus ein. Dieser verwendet die Messungen von Solarstromproduktion, Strom und Spannung im Netz und berechnet in Echtzeit, wie viel Wirk- und wie viel Blindleistung eingespiesen werden soll. Diese L?sung wurde letztes Jahr mit dem Watt d¡¯Or ausgezeichnet, einem Preis des Bundes f¨¹r Bestleistungen im Energiebereich.

?Der Algorithmus h?lt das Stromnetz im Aargau stabil. Er geht zur¨¹ck auf theoretische und mathematische Forschung, die wir vor elf Jahren begannen?, erkl?rt D?rfler. Nun ist er mit weiteren Energieversorgern in Deutschland und Frankreich im Gespr?ch, um seine einfache L?sung auch dort zu realisieren.

Mit Risiko an die grossen Fragen

D?rfler will mit seiner Forschung die grossen Fragen angehen. Eine dieser Fragen ist: Wie kann das europ?ische Stromnetz mit einer intelligenten Steuerung fit gemacht werden f¨¹r eine Zukunft, in der mehr und mehr Strom aus Wind- und Solarkraft stammt?

J¨¹ngst hat er einen Algorithmus patentieren lassen f¨¹r eine st?rungsresistente Steuerung der Wechselrichter in Wind- und Solarkraftwerken. Das Risiko f¨¹r grossfl?chige Blackouts wie jenes vor zwei Monaten in Spanien liesse sich mit solcher intelligenter Technik stark reduzieren, sagt D?rfler.

Sich den grossen Forschungsfragen zu widmen, an die sich andere Forschende nicht herantrauen, weil der Erfolg nicht garantiert ist, dazu ermutigt er auch seine Mitarbeitenden ¨C die Masterstudierenden, Doktorierenden und Postdocs. ?Die besten Leute der Welt kommen an die ETH, und ihnen m?chte ich m?glichst viel Freiraum geben.? Er sage ihnen, dass er zwei Jahre lang nichts von ihnen erwarte, ausser, dass sie sich in dieser Zeit Gedanken machen ¨¹ber das relevante grosse Problem, das sie l?sen wollen, und wie sie es mathematisch formluieren.

Ob diese Haltung nicht zu risikoreich sei, werde er oft gefragt. In der Tat sei er jemand, der regelm?ssig Risiken eingehe, nicht nur beruflich, sondern auch beim Bergsport, den er pflege, wann immer er freie Zeit habe, sagt D?rfler.

Stets in der N?he der Berge

Aufgewachsen ist D?rfler in Oberbayern. Er ging schon als Junge regelm?ssig in die Berge zum Skifahren, Mountainbiken, Fels- und Eisklettern. Als ?Professor ETH Zurich and wannabe dirtbag climber? bezeichnet er sich heute auf seinem Social-Media-Profil, also als einer der am liebsten  in einem Campingbus durchs Land ziehen und sein Leben dem Klettern verschreiben m?chte. ?Wenn ich von heute auf morgen meinen Job verlieren w¨¹rde, w¨¹rde ich genau das machen?.

Das Social-Media-Profil zeigt ihn mit einem Bild einer seltenen Begehung des ber¨¹hmtesten Eisfalls von Nordamerika, des Widow¡¯s Tears im Yosemite Nationalpark. Das war im Jahr 2013, als er w?hrend seines Doktorats im kalifornischen Santa Barbara weilte. Und er hat die Aiguille du Dru im Mont-Blanc-Massiv auf einer ?usserst selten begangenen und schwierigen Route erklettert. American Direct heisst die Route auf einer 1000 Meter hohen Wand, die beinahe auf 4000 Meter ¨¹ber Meer hochragt.