Multi‑zielgrößenbestimmung und Leistungsoptimierung inselbetriebener hybrider erneuerbarer Mikronetze: eine Fallstudie in Yanbu, Saudi‑Arabien

Strom für abgelegene Haushalte

Zuverlässige Elektrizität ist für viele isolierte Gemeinden nach wie vor eine Herausforderung, insbesondere in heißen, trockenen Regionen, in denen der Anschluss an das nationale Stromnetz zu teuer wäre. Diese Studie untersucht, wie kleine, eigenständige Energiesysteme – sogenannte hybride Mikronetze – Sonnenlicht, Wind, Batterien und einen kleinen Dieselmotor nutzen können, um Haushalte in Yanbu, Saudi‑Arabien rund um die Uhr mit Strom zu versorgen, und wie jede Komponente dimensioniert werden muss, damit die Versorgung sowohl zuverlässig als auch bezahlbar ist.

Kleine Netze, aufgebaut um Sonne und Wind

Das in dieser Arbeit untersuchte Mikronetz ist für Gruppen von fünf, zehn oder fünfzehn weit vom Hauptnetz entfernten Haushalten ausgelegt. Im Zentrum stehen Solarmodule und Windturbinen, die die starke Sonneneinstrahlung und die günstigen Küstenwinde der Region nutzen. Diese sind an einen Batteriepark angeschlossen, der überschüssige Energie speichert, sowie an einen Dieselgenerator, der nur dann einspringt, wenn erneuerbare Quellen und gespeicherte Energie nicht ausreichen. Gemeinsam bilden sie ein eigenständiges System, das wie ein kleines lokales Versorgungsunternehmen arbeiten kann und Strom für Beleuchtung, Geräte und andere häusliche Bedürfnisse liefert.

Abwägung von Kosten, Zuverlässigkeit und sauberer Energie

Die Auslegung eines solchen Systems ist nicht so einfach wie das Installieren möglichst vieler Paneele und Batterien. Ein zu großes System ist unnötig teuer; ein zu kleines führt zu Ausfällen. Die Autoren behandeln das Design deshalb als ein Multi‑Ziel‑Problem mit drei Zielen: die durchschnittlichen Stromkosten über die Lebensdauer des Systems zu senken, die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass das Mikronetz die Nachfrage nicht decken kann, und den Anteil der aus erneuerbaren Quellen statt Diesel stammenden Energie zu erhöhen. Anstatt ein Ziel zu wählen und die anderen zu opfern, suchen sie nach Kombinationen von Komponenten, die unterschiedliche Kompromisse zwischen allen drei Zielen ermöglichen.

Von der Natur inspirierte Suche nach den besten Entwürfen

Um die vielen möglichen Kombinationen von Solarmodulen, Windturbinen, Batterien und Dieseleinheiten zu erkunden, verwendet die Studie zwei naturinspirierte Rechenalgorithmen. Der eine ahmt das Vorgehen von Salpenketten nach, die sich beim Nahrungserwerb zusammenziehen; der andere basiert auf den spiraligen Jagdmustern von Buckelwalen. In diesem Kontext steht jedes „Tier“ für einen Kandidatenentwurf eines Mikronetzes. Während sich der simulierte Schwarm oder die Gruppe durch den Entwurfsraum bewegt, testet er verschiedene Ausstattungsgrößen mithilfe eines detaillierten Stundenmodells von Wetter, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeiten und dem Haushaltsstrombedarf in Yanbu. Über viele Iterationen werden schlechtere Entwürfe verworfen und bessere verfeinert, sodass eine Reihe von Lösungen entsteht, die auf unterschiedliche Weise Kosten, Zuverlässigkeit und den Einsatz erneuerbarer Energien ausbalancieren.

Was passiert, wenn Gemeinden wachsen

Die Forschenden vergleichen Systeme mit und ohne Diesel‑Backup für die drei Gemeinschaftsgrößen. Wenn nur Solar, Wind und Batterien verwendet werden, ist der Strom günstiger, aber das Risiko von Versorgungslücken ist höher, insbesondere bei größerer Belastung oder während längerer Perioden mit bewölktem, windarmem Wetter. Die Zugabe eines Dieselgenerators erhöht die Kosten etwas, verbessert jedoch die Zuverlässigkeit deutlich und reduziert das Ausfallrisiko auf sehr niedrige Werte. Interessanterweise neigen die optimierten Entwürfe, wenn die Zahl der Haushalte von fünf auf fünfzehn steigt, stärker zu Solar und Wind und weniger zu Diesel. Größere Gemeinden können mehr erneuerbare Kapazität rechtfertigen, wodurch der Anteil erneuerbarer Energien über 80–90 Prozent steigt, während die durchschnittlichen Kosten pro Kilowattstunde wettbewerbsfähig mit vielen konventionellen netzfernen Lösungen bleiben.

Wie sich die Algorithmen vergleichen

Beide Suchmethoden finden leistungsfähige Entwurfsoptionen, unterscheiden sich jedoch leicht in ihren Stärken. Der salpenbasierte Ansatz liefert eine größere Vielfalt hochwertiger Lösungen und gibt Planern mehr Flexibilität bei der Auswahl unterschiedlicher Mischungen aus Kosten, Zuverlässigkeit und Anteil erneuerbarer Energien. Die walbasierte Methode findet häufig Entwürfe mit sehr attraktiven Kosten, wenn auch manchmal mit einem etwas engeren Spektrum an Optionen. Durch die Analyse, wie sich die Lösungen beider Methoden entlang der Zielkonfliktkurve verteilen, zeigen die Autoren, dass die Kombination fortschrittlicher Optimierung mit realistischen Modellen von Wetter, Anlagenleistung und Haushaltsnutzung Muster offenlegen kann, die sich durch Versuch‑und‑Irrtum schwer entdecken lassen.

Was das für abgelegene Gemeinden bedeutet

Praktisch liefert diese Arbeit einen Fahrplan zur Auslegung eigenständiger Stromsysteme, die abgelegene Haushalte zuverlässig mit überwiegend Sonnen‑ und Windenergie versorgen, wobei Diesel als sorgfältig dimensioniertes Backup dient. Die Studie zeigt, dass hybride Mikronetze insbesondere mit wachsender Gemeinschaft hohe Anteile erneuerbarer Energien erreichen können, ohne die Energiekosten in die Höhe zu treiben oder die Zuverlässigkeit zu opfern. Für Planer und Entscheidungsträger in ariden Küstenregionen wie Yanbu — und an vielen ähnlichen Orten weltweit — bietet der Rahmen eine Möglichkeit, lokale erneuerbare Ressourcen in stabile, skalierbare nachbarschaftliche Energiesysteme zu verwandeln, die modernes Leben unterstützen und gleichzeitig die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen verringern.

Zitation: Saleh, A.A., Magdy, G. Multi-objective sizing and performance optimization of islanded hybrid renewable microgrids: a case study in yanbu, Saudi Arabia. Sci Rep 16, 12743 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47028-1

Schlüsselwörter: hybrides Mikronetz, erneuerbare Energie, Solar‑ und Windenergie, netzferne Elektrifizierung, Energiespeicherung