E.ON nutzt Quantencomputing, um komplexe Herausforderungen zu bewältigen

Die Aufgabe von E.ON ist es, die Systeme am Laufen zu halten. Als eines der größten Energieunternehmen Europas betreibt das Unternehmen ein 1,6 Millionen Kilometer langes Energienetz, um 47 Millionen Kunden in 17 europäischen Ländern mit Strom und Gas zu versorgen. E.ON versorgt Privathaushalte, Krankenhäuser, Fabriken, den Nahverkehr und andere entscheidende Infrastrukturen, die für das Leben im 21. Jahrhundert unerlässlich sind. Und diese Aufgabe wird immer komplizierter.

Da E.ON den Übergang Europas zu erneuerbaren Energien unterstützt, werden die Anforderungen an das Stromnetz immer komplexer. Die alten Methoden der Energieverteilung waren vorhersehbar. Angesichts eines großen Kraftwerks und einer stabilen Brennstoffversorgung war es nicht allzu schwierig, abzuschätzen, wie viel es kosten würde, morgen oder in einem Jahr ein Megawatt Strom zu erzeugen. Da sich die Nachfrage während einer Hitzewelle oder einer Kälteperiode veränderte, war es relativ einfach, die Produktion hoch- oder herunterzufahren.

Heute stammt die Energie aus kleineren, dynamischeren Quellen, darunter Sonne und Wind. Gleichzeitig verändern Elektrofahrzeuge und intelligente Systeme in Haushalten die Verbrauchsgewohnheiten erheblich, und immer mehr Sektoren werden elektrifiziert, beispielsweise Mobilität und Heizung. E.ON, das für die ganzjährige Stromversorgung rund um die Uhr verantwortlich ist, muss sich frühzeitig auf komplexe dynamische Veränderungen sowohl auf der Angebots- als auch auf der Nachfrageseite vorbereiten. Das Unternehmen untersucht derzeit Quantencomputing, ein Instrument zur Bewältigung komplexer Aufgaben, als Lösung für dieses Problem.

„Wir entwickeln uns zu einem digitalen Unternehmen“, erklärte Dr. Giorgio Cortiana, Head, Daten und KI, Energy Intelligence bei E.ON. „Datentechnologie wird von entscheidender Bedeutung sein, um die Komplexität dieser Systeme zu bewältigen.“

Ein wesentlicher Teil dieser Bemühungen lässt sich auf ein Preisgestaltungsproblem zurückführen.

„Wir müssen Strom beschaffen, bevor die Kunden danach fragen“, erklärte Dr. Piergiacomo Sabino, Experte für quantitative Risiken bei E.ON Energy Markets.

Die Verträge von E.ON verpflichten das Unternehmen, seinen Kunden Energie zu einem festen Preis zu liefern, auch wenn der Verbrauch und die Lieferkosten schwanken. Häufig kommt es zu Abweichungen zwischen der im Voraus gekauften Energiemenge und dem tatsächlichen Bedarf. Daher versichern sich verschiedene Marktteilnehmer gegenseitig gegen diese Risiken, indem sie Energiederivate kaufen und verkaufen und so die Versorgung sicherstellen.

Auf dem Handelsparkett von E.ON arbeiten Experten wie Dr. Sabino daran, diese Derivate effizient zu bewerten. Für diese Aufgabe verwenden sie Monte-Carlo-Simulationen – eine Methode, mit der sich mithilfe moderner Computertechnologie die Ergebnisse ungewisser Ereignisse vorhersagen lassen. Diese Methoden berücksichtigen Schwankungen aufgrund von Wetterbedingungen, Nutzungsmustern und anderen Faktoren. Allerdings haben selbst die weltweit leistungsstärksten Supercomputer Schwierigkeiten mit einer derartigen Problematik.

„Dafür müssen wir klug und vorausschauend denken, und zwar Jahre im Voraus“, sagte Dr. Cortiana. „Der Klimawandel und Black-Swan-Ereignisse müssen Teil unseres Modells sein. Das oberste Ziel ist es, unseren Kunden bezahlbare Energie zu bieten.“

Während einer kürzlich aufgetretenen Energiekrise, die zu dramatischen Preisanstiegen in ganz Europa führte, war E.ON dank dieser Planung in der Lage, seine Kunden zu schützen und die Preissteigerungen unter Kontrolle zu halten. Hätte E.ON diese Situation nicht angemessen bewältigt, hätten die Kunden möglicherweise im Dunkeln gestanden.

Je komplexer ein Problem ist, insbesondere je mehr interagierende Variablen es beinhaltet, desto schwieriger ist es für einen Computer, der mit binären 1en und 0en arbeitet, damit umzugehen. Wetterrisiken, Veränderungen in der Versorgung und dynamische Verbrauchsmuster sind miteinander interagierende Variablen. Selbst die besten klassischen Ansätze auf den leistungsfähigsten Supercomputern stoßen an ihre Grenzen.

Aus diesem Grund untersucht E.ON gemeinsam mit IBM die Möglichkeiten des Quantencomputings.

Quantencomputer bieten einen völlig neuen Ansatz zur Lösung komplexer Probleme. Bestimmte Probleme, deren Lösung auf klassischen Supercomputern Jahrtausende dauern könnte, könnten mit Quantencomputeralgorithmen wesentlich einfacher gelöst werden.

„Der Grund, warum wir uns für eine Partnerschaft mit IBM Quantum entschieden haben, war, dass wir mit den Experten auf diesem Gebiet zusammenarbeiten wollten“, erklärte Dr. Cortiana. „Wir erhielten nicht nur Zugang zu dieser Hardware, sondern auch zu Experten und konnten so die Kompetenzen unseres Teams erweitern.“

Quantencomputer befinden sich heute noch in der Entwicklung. Dieser Fortschritt schreitet jedoch schnell voran. Im Jahr 2023 demonstrierte IBM, dass seine Quantenhardware und -software gemeinsam zuverlässige Berechnungen in einem Umfang durchführen können, der über die klassischen „Brute-Force“-Methoden zur Ausführung von Quantenalgorithmen hinausgeht. Dieser Fortschritt bedeutet, dass wir in das Zeitalter der „Quantum-Dienstprogramme“ eingetreten sind, in dem Quantencomputer die besten Werkzeuge sind, um exakte Antworten aus Quantenschaltungen zu erhalten.

Der nächste Schritt besteht darin, „Quantumvorteile“ zu finden, also Fälle, in denen Quantencomputer besser sind als alle klassischen Methoden. Für ein Unternehmen wie E.ON könnte die Erlangung eines Quantenvorteils potenziell neue Effizienzsteigerungen und Wettbewerbsvorteile mit sich bringen – und letztendlich bessere Strompreise für seine Kunden.

In Zusammenarbeit haben die Teams von E.ON und IBM® Quantum einen Weg zum Quantenvorteil für die Energiepreisgestaltung entwickelt. Dr. Sabino war auf der geschäftlichen Seite für die Anforderungen des Projekts verantwortlich. Das Ziel war nicht nur ein experimentelles Projekt, sondern eines, das letztendlich einen praktischen geschäftlichen Vorteil auf einem zukünftigen fehlerkorrigierten Quantencomputer bieten könnte. IBM plant, im Jahr 2029 einen fehlerkorrigierten Quantencomputer vorzustellen.

IBM und E.ON haben gemeinsam einen Algorithmus zur Steuerung von Wetterrisiken entwickelt, der mit einem ausreichend fortschrittlichen Quantencomputer klassische Methoden übertreffen könnte.

Bei jedem Durchlauf dieses Algorithmus wird die Frage gestellt: „Wenn wir Energie zu einem bestimmten Preis anbieten, welche Kosten entstehen uns dann unter bestimmten Wetterbedingungen während der Vertragslaufzeit?“

Führen Sie diesen Algorithmus mehrfach aus, um Informationen zu erhalten, die Sie für Ihre Absicherungsentscheidungen nutzen können.

Nachdem das Team den grundsätzlichen Nachweis erbracht hatte, dass dieser Algorithmus funktionieren kann, bereitete es sich darauf vor, den Algorithmus auf echter IBM Quantum-Hardware auszuführen. Die ursprüngliche Version des Algorithmus umfasste Schaltkreise – einzelne Quantenausführungen –, die zu lang waren, um auf den 2023 verfügbaren Quantencomputern ausgeführt zu werden.

Das Team nutzte daher eine fortschrittliche Funktion von IBM Qiskit, die als dynamische Schaltkreise bekannt ist, um das Problem in Teile zu zerlegen, die selbst ein IBM Quantum-Computer der vorherigen Generation mit 27 Qubits bewältigen konnte.

Die Nutzung von Qiskit für dieses Projekt war ein „No-Brainer“, sagte Dr. Corey O'Meara, Chief Quantum Scientist bei E.ON. „Qiskit ist das weltweit führende SDK für die Codierung von Quantensoftware. Es ist fantastisch und wird immer besser.“

Heute stellt IBM seinen Nutzern Quantencomputer mit 127 Qubits und mehr zur Verfügung. Diese Quantencomputer können viel längere Schaltkreise ausführen, als dies auf früheren Maschinen möglich war. In Verbindung mit der Leistungsfähigkeit von Qiskit haben diese sich rasch verbessernden Computer das Zeitalter der Nützlichkeit eingeläutet. Der Quantenvorteil rückt in greifbare Nähe.

„Ich bin der Ansicht, dass die Arbeit im Versorgungsmaßstab der nächste Schritt ist, der für den gesamten Bereich des Quantencomputings erforderlich ist“, erklärte Dr. O’Meara. „Es wurden bereits Spielzeugmodelle und kleine Proof-of-Concepts mit einigen wenigen Qubits entwickelt. Das wird sich ändern.“

Das vorrangige Ziel von E.ON für die nächsten drei Jahre, so Dr. O'Meara, sei die Arbeit im Versorgungsbereich, um neue Geschäftsmöglichkeiten zu erschließen.

Der Bereich des Quantencomputings ist komplex, erklärte Dr. Cortiana. Unternehmen, die sich mit Quantencomputern befassen möchten, sollten Partnerschaften mit gleichgesinnten Akteuren eingehen – Universitäten, Forschungsinstituten und Anbietern wie IBM – und Synergien anstreben, da es zentrale Probleme gibt, die branchenübergreifend auftreten werden.

„Versetzen Sie sich einige Jahre in die Zukunft und stellen Sie sich Situationen vor, in denen die Rechenkapazitäten nicht mehr ausreichen werden“, sagte Dr. Cortiana. „Fragen Sie: Wo kann Quantum helfen?“ Finden Sie schnell umsetzbare Maßnahmen, die Ihnen geschäftlichen Nutzen bringen, ohne auf eine fehlertolerante Maschine warten zu müssen.“

Es ist an der Zeit, diese leicht zu erreichenden Ziele zu nutzen und einen Pool an hochqualifizierten Talenten aufzubauen.

„Sobald Quantenvorteile verfügbar sind, wird jeder sie nutzen wollen“, sagte Dr. Cortiana. „Es ist besser, die Fähigkeiten bereits zu besitzen. Andernfalls wird es schwierig, den Rückstand aufzuholen.“

E.ON ist eines der größten Energieunternehmen Europas in den Geschäftsbereichen Energieverteilungsnetz, Energieinfrastrukturlösungen und Energievertrieb. Mit einem 1,6 Millionen Kilometer langen Energieverteilungsnetz und rund 47 Millionen Kunden nimmt E.ON eine führende Rolle bei der Gestaltung einer grünen, digitalen und dezentralen Energiewelt ein. Es ist die Aufgabe von E.ON, neue Energien zum Erfolg zu führen.