Der resiliente Betrieb von Stromnetzen basiert heutzutage größtenteils auf der kontinuierlichen Bereitstellung von Strom durch Konglomerate von Kraftwerken, die ihre Produktion kontinuierlich an die Nachfrage der Verbraucher anpassen. Durch überregionale und internationale Vernetzung sind diese Konglomerate in der Lage große Mengen an Reservekapazitäten vorzuhalten, um Abweichungen vom Gleichgewicht zwischen der Produktion und dem Bedarf an Strom entgegenzuwirken. Durch das Voranschreiten der Energiewende werden Stromnetze seit Jahren starken Veränderungen unterzogen. Diese dienen dazu konventionelle Stromnetze zu wirtschaftlicheren und ökologischeren “Smart Grids” weiterzuentwickeln. Dabei wird Strom von zunehmend volatilen Erzeugern produziert, die über das gesamte Stromnetz verteilt sind. Außerdem entwickeln sich ehemals passive Verbraucher zu so genannten Prosumern, die zunehmend in der Lage sind, Strom vor Ort zu produzieren. Diese Veränderungen unterstützen zwar die Ziele der Energiewende, verschärfen aber auch gleichzeitig die ohnehin schon schwierige Aufgabe, ein kontinuierliches Gleichgewicht zwischen Strombedarf und -produktion aufrechtzuerhalten, und gefährden damit den resilienten Betrieb der Stromnetze. Die vorliegende Thesis liefert die folgenden drei Hauptbeiträge zur Verbesserung des resilienten Betriebs intelligenter Stromnetze: Wir schlagen ein semi-formales Modell zur Strukturierung von elektrischen Verteilnetzen als Holarchien vor—dynamische Hierarchien, die den autonomen Betrieb von Teilnetzen (Holonen) ermöglichen. Der resiliente Betrieb dieser Holone wird anschließend durch das Einbeziehen heterogener Netzteilnehmer in Prozesse zur Abmilderung der Auswirkungen von Gefahrensituationen auf das Gleichgewicht zwischen der Produktion und dem Bedarf an Strom verbessert. Zu diesem Zweck befähigt unser Modell die Netzteilnehmer dazu, einen Beitrag zu den Abmilderungsprozessen zu leisten, indem sie lokale Ressourcen als sogenannte Flexibilitäten dynamisch zur Verfügung stellen, um Bedarfs- und Produktionsabweichungen zu kompensieren. Wir demonstrieren unser Modell, indem wir es in eine zeitdiskrete Simulationsumgebung namens HOLEG integrieren, die im Rahmen dieser Thesis entwickelt wurde. Um die Bereitschaft der Menschen zu beurteilen, sich als Netzteilnehmer in Prozesse zur Abschwächung von Gefahrensituationen in Energienetzen einzubringen, wurde eine Online-Umfrage durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Menschen bereit sind, sich stärker zu engagieren; allerdings bestehen weiterhin zahlreiche Bedenken in Bezug auf IT-Sicherheit und Datenschutz.

Der zweite Hauptbeitrag befasst sich mit der kombinierten technischen Herausforderung, Holone innerhalb von Holarchien zu organisieren und verfügbare Flexibilitäten zu allokieren, um Bedarfs- und Produktionsabweichungen zu reduzieren. Zunächst spezifizieren wir die gemeinsame Herausforderung (in dieser Arbeit als Holon-Problem bezeichnet) als ein multivariates Optimierungsproblem und passen drei bekannte metaheuristische Optimierungsansätze an, die auf Verfahren zu Partikel-Schwarm-Optimierung, Genetischen Algorithmen und Ameisen-Kolonie-Optimierung basieren, um nahezu optimale Lösungen für das vorliegende Problem zu finden. Zu diesem Zweck schlagen wir eine Kostenfunktion vor und formalisieren sie. Die Kostenfunktion ermöglicht es, die Qualität von Lösungen für das Holon-Problem quantitativ zu bewerten, wobei betriebliche Beschränkungen holarer Stromnetze sowie zahlreiche ökologische, ökonomische und Resilienz-Kriterien berücksichtigt werden. Die drei Metaheuristiken werden in einem simulierten, großen holaren Verteilnetz unter Verwendung der Simulationsumgebung HOLEG evaluiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Metaheuristiken gut geeignet sind, um sowohl in Situationen mit strengen als auch mit lockeren Zeitbeschränkungen nahezu optimale Lösungen für das Holon-Problem zu finden. Der letzte Beitrag befasst sich mit sozialen Herausforderungen, die sich aus dem Betrieb von Energienetzen als Holarchien und der Einbeziehung von Menschen in Prozesse zur Abmilderung von Gefahrensituationen ergeben. Erstens betonen wir, dass Wissen über Stromnetz-Themen eine entscheidende Komponente ist, damit Menschen aufmerksamer werden und eine zunehmend verantwortungsvolle Rolle innerhalb von Stromnetzen einnehmen können. Zweitens nennen wir Gründe, warum es den meisten Menschen derzeit an Wissen über Stromnetze mangelt, und erörtern die potenziellen Vorteile von mehr Fachwissen für den resilienten Betrieb von Stromnetzen. Drittens betonen wir, dass vermehrtes Fachwissen nicht ausreicht, um Menschen zu motivieren, zunehmend aktiv zu werden, und präsentieren Strategien, um deren Motivation durch monetäre und nicht-monetäre Anreize zu steigern. Schließlich schlagen wir einen Serious-Game-Prototypen vor, um das Wissen der Menschen über Stromnetzthemen zu steigern. Die Evaluierungsergebnisse zeigen, dass der Prototyp gut geeignet ist, um Menschen über Stromnetz-Themen aufzuklären, und dass die Menschen ihn im Vergleich zu einem textbasierten Lernansatz als wesentlich spannender, motivierender und unterhaltsamer beurteilen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich diese Dissertation sowohl mit den technischen als auch mit den sozialen Herausforderungen befasst, die sich aus der Entwicklung von Stromnetze hin zu “Smart Grids” ergeben. Unsere Beiträge tragen zum Verständnis der sozio-technischen Interdependenzen innerhalb zukünftiger Stromnetze bei und fördern Konzepte und Methoden, die deren resilienten Betrieb ermöglichen.