Digitaler Zwilling für klimafreundliches Fernwärme-Management

Die Stadtwerke und Wärmeversorger sollen ihre Fernwärmenetze in den kommenden Jahren auf CO2-freien Betrieb umstellen. Doch Schwankungen im Leitungsnetz, die von der Einspeisung erneuerbarer Energien ausgelöst werden, und die zunehmende Dezentralisierung erschweren die effiziente Steuerung der Netze.

Mit »AD Net Heat« haben Fraunhofer-Forschende eine Simulationssoftware entwickelt, die die Wärmeströme im Leitungsnetz nachbildet. »Das erlaubt im Live-Betrieb Prognosen über die Wärmeströme und den Bedarf an den Verbrauchsstationen. Mit diesen Daten können Stadtwerke und Energieversorger das Netz mit all seiner Dynamik in Echtzeit beobachten und steuern. Auch Lastspitzen zu verschiedenen Tageszeiten werden frühzeitig erkannt und ausgeglichen«, erklärt Matthias Eimer vom Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM. Das Fernwärmenetz wird insgesamt stabiler und der Betrieb im Alltag effizienter und kostengünstiger.

Bild: Die Benutzeroberfläche zeigt die aktuellen Temperatur- und Druckverhältnisse im Netz. Für jeden Knoten kann der zeitliche Verlauf in der Historie und Prognose dargestellt und gegebenenfalls mit Messungen verglichen werden. © Fraunhofer ITWM

Fernwärmesteuerung in Echtzeit

Die Fraunhofer-Forschenden haben einen Digitalen Zwilling des physikalischen Leitungsnetzes entwickelt. Darin fließen Basisdaten ein wie die Topologie des Netzes, Länge und Querschnitt der Rohrleitungen sowie Zahl und Position der Einspeisepunkte und Verbrauchsstationen. Hinzu kommen Faktoren wie Wetterdaten, Sonneneinstrahlung und das typische Verbrauchsprofil zu bestimmten Tages- und Jahreszeiten.

Außerdem werden die tatsächlichen oder geplanten Einspeisedaten wie die Vorlauftemperatur oder Einspeiseleistung vorgegeben. Auf dieser Basis simuliert AD Net Heat die Dynamik des gesamten Netzes, liefert wichtige Kenngrößen zu Punkten, die an Randbezirken des Netzes liegen – die sogenannten Schlechtpunkte –, und meldet kritische Betriebszustände. Außerdem kann die Steuerung des Netzes optimiert und in den Leitstand zurückgespielt werden.

Durch die direkte Modellierung der physikalischen Prozesse kommt der Digitale Zwilling mit einer minimalen Anzahl an Sensoren aus. Diese dienen nur der Kalibrierung von unbekannten Parametern, wie beispielsweise den Rohreigenschaften, die durch Alterungsprozesse nicht mehr dem Originalzustand entsprechen. Zusätzliche Sensorik kann dann zur Validierung der Simulationsergebnisse verwendet werden.

Erwartete Mehrwerte

Der Digitale Zwilling soll Betreibern von Wärmenetzen und Stadtwerken mehrere Vorteile bieten. Laut Fraunhofer macht der optimierte Betrieb in vielen Fällen das Zuschalten von Energiequellen überflüssig, die infolge von Strompreisschwankungen gerade sehr teuer sind. Außerdem könne beispielsweise die Vorlauftemperatur abgesenkt werden, um unnötige Energieverluste zu reduzieren – ohne die Versorgungssicherheit zu gefährden.

Auch Großveranstaltungen in der Stadt wie beispielsweise ein Konzert oder eine Messe, bei denen große Hallen mit Wärme versorgt werden müssen, fließen in die Betriebsplanung ein. Nach Eingabe des Standorts des Abnehmers sowie des geschätzten Wärmebedarfs simuliert die Software den Wärmetransport und gibt ihre Verbrauchsprognosen zurück.

Planung neuer Netze

Zudem soll die Softwarelösung die Planung und Inbetriebnahme von neuen Netzen unterstützen. Wenn die Topologie eines Netzes definiert ist, inklusive der Einspeisepunkte für schwankende Energiequellen wie Solarthermie und Industrieabwärme, berechnet das Softwaretool die Verteilung der Wärmeströme und die zu erwartenden Verbräuche. Planungsbüros können hierzu unterschiedliche Szenarien durchspielen, etwa den Verbrauch zu bestimmten Tages- oder Jahreszeiten, unterschiedliche Platzierung von Erzeugern oder bauliche Veränderungen wie neue Transportleitungen.

»Stadtwerke oder Fernwärmeversorger machen damit einen großen Schritt in Richtung einer klimaneutralen und ressourcensparenden Wärmeversorgung. Außerdem senken sie ihre Kosten. Denn zum einen erlaubt die Simulation im Digitalen Zwilling die maximale Nutzung der erneuerbaren Energiequellen, wenn diese gerade verfügbar sind. Zum anderen sind die Prognosen über den Wärmebedarf sehr genau und zuverlässig. So können die Querschnitte der Rohrleitungen etwas kleiner ausgelegt werden, das spart Material«, sagt Eimer.

Da der Rechenkern grundsätzlich für alle Netzwerk-Typen ausgelegt ist, könnte die Simulation in Zukunft auch für Energienetze wie Strom oder Gas zum Einsatz kommen.