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Ausschreibender Bereich: IEK-3 - Elektrochemische Verfahrenstechnik
Kennziffer: D119/2018, Informatik, Maschinenbau, Elektrotechnik, Wirtschaftsingenieurwesen

Masterarbeit: Analyse des Performancegewinns eines Energiesystemmodells durch Jump im Vergleich zu Pyomo

Beginn der Arbeit: sofort / nach Vereinbarung

Aufgabengebiet
Vor dem Hintergrund des Paris Klimaschutzabkommens ist eine Reduktion der Treibhausgasemissionen in allen Energiesektoren zur Vermeidung eines Klimawandels notwendig. Für die Analyse möglicher Entwicklungen im Energiesystem und der Auswirkungen von politischen Instrumenten werden oft modellbasierte Ansätze angewandt. Diese Ansätze sind in den letzten Jahren immer weiter detailliert worden, um u.a. den Einfluss von fluktuierenden erneuerbaren Energien adäquat analysieren zu können. Dies führte in den verwendeten Energiesystemmodellen zu steigenden Rechenzeiten und Anforderungen an die Rechnerkapazitäten.

Derzeit ist eine weitverbreitete Sprache für Energiesystemmodelle Python. Ein möglicher Engpass in der Rechenperformance bei auf Python basierenden Modellen kann das Optimiermodul Pyomo darstellen. Als Alternative dazu bietet sich die bei Energiesystemmodellen bisher kaum verbreitete Sprache Julia mit dem Optimiermodul Jump an. Julia ist ähnlich wie die Sprache Gams strukturiert, die eine weitere oft verwendete aber nicht kostenlose Programmiersprache für Energiesystemmodelle ist. Inwiefern die Umstellung auf Julia tatsächlich und in welchem Umfang zu einem Rechenzeitgewinn oder der allgemeinen Verbesserung der Rechenperformance beiträgt ist eine noch offene Frage. Deswegen ist es das Ziel dieser Arbeit aufbauend auf einer im Rahmen der Arbeit zu erstellenden Julia‑Version eines bestehenden auf Python basierenden Energiesystemmodells mögliche Verbesserungen der Perfomance systematisch zu untersuchen.

Aufgabenstellung
Im Rahmen der ausgeschriebenen Masterarbeit soll das am Institut vorhandene Energiesystemmodell FINE, welches in Python programmiert ist, in die Sprache Julia übersetzt, der Performancegewinn analysiert und das dadurch neu erschlossene Analysepotential exemplarisch aufgezeigt werden.

Der/die Studierende soll sich zunächst einen Überblick über das vorliegende Energiesystemmodell FINE und die Sprache Julia mit dem Optimiermodul Jump erarbeiten. Anschließend wird FINE in Julia übersetzt und es werden geeignete Testfälle definiert, um den Performancegewinn zwischen den beiden Modellvarianten analysieren zu können. Es sollen dabei Modellläufe mit sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Optimierung definiert und untersucht werden. Nach Dokumentation des Rechenzeitgewinns werden die dadurch möglichen Modellerweiterungen kritisch diskutiert hinsichtlich ihres Beitrags zur Aussagekraft der Modellergebnisse und bezüglich der Erschließung der Beantwortbarkeit neuer Fragestellungen. Darauf aufbauend soll eine dieser Fragestellungen ausgewählt und exemplarisch beantwortet werden.

Arbeitspakete

  • Einarbeitung in die Modellierung von Energiesystemen in Python und Julia

    • Einarbeitung in Python und Julia
    • Einarbeitung in das vorliegende Energiesystemmodell FINE
  • Übersetzung von FINE von Python in Julia

    • Implementierung einer Julia-Version von FINE
    • Analyse des Performancegewinns mittels ausgewählter Parameter und Rechenläufe
  • Identifikation von neu erschlossenen Analyseoptionen mit FINE in Julia

    • kritische Diskussion möglicher Modellerweiterungen und neu erschlossener Fragestellungen
    • exemplarische Anwendung von Fine in Julia auf eine neu erschlossene Fragestellung

Anforderungen

  • Studium der Informatik, des Maschinenbaus, der Elektrotechnik, des Wirtschaftsingenieurwesens oder eines vergleichbaren Studiengangs (z.B. Mathematik oder Physik)
  • Interesse an energietechnischen und -wirtschaftlichen Fragestellungen
  • Selbstständige und analytische Arbeitsweise
  • Kenntnisse in Python oder einer vergleichbaren Programmiersprache sind erforderlich
  • Kenntnisse in Julia oder Gams sowie von Optimiermethoden sind von Vorteil
  • Fließende Deutsch- und Englischkenntnisse in Schrift und Sprache

Ansprechpartnerin
Dr. Heidi U. Heinrichs
Forschungszentrum Jülich GmbH
Institut für Energie- und Klimaforschung - Elektrochemische Verfahrenstechnik (IEK-3)
52425 Jülich

E-Mail: h.heinrichs@fz-juelich.de
Tel. 02461 61-9166