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Digitaler Zwilling optimiert Prozesse im Heizkraftwerk

Mit der optimalen Regelung von Heizkraftwerken lässt sich zusätzlich Energie einsparen. In einem Pilotprojekt mit der RheinEnergie AG loten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern dieses Potenzial mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) aus.

von | 06.10.23

© RheinEnergie AG / Joachim Rieger Biogasanlage am Randkanal-Nord, Motor des Blockheizkraftwerks (BHKW)

6. Oktober 2023 | Mit der optimalen Regelung von Heizkraftwerken lässt sich zusätzlich Energie einsparen. In einem Pilotprojekt mit der RheinEnergie AG loten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern dieses Potenzial mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) aus.

Nicolas Kandziora, Projektingenieur »Gebäudeautomation« bei der RheinEnergie, wurde Mitte Februar 2023 bei der Messe “Elektrotechnik” in Dortmund auf die Pfälzer Mathematiker:innen aufmerksam. “Ich hörte den Vortrag von Dr. Benjamin Adrian über “Künstliche Intelligenz im Schaltschrank”, der sich mit Zustandsüberwachung in Echtzeit, vorausschauender Instandhaltung und optimiertem Energieverbrauch beschäftigte.” Im anschließenden Gespräch wurde schnell klar, dass die vorgestellten Methoden auch für den Kölner Energieversorger interessant sind. Bis zum ersten Treffen dauerte es nur wenige Wochen; dann wurde ein gemeinsames Projekt vereinbart.

Zustandsüberwachung in Echtzeit, vorausschauende Instandhaltung und digital optimierter Energieeinsatz: KI-gestützte Technologien für den Anlagenbetrieb helfen, den Energiebedarf vorrausschauend zu planen und optimal zu steuern. Für die RheinEnergie ist das wichtig, um den Kundinnen und Kunden eine effiziente, emissionsarme und kostensparende Energieversorgung anbieten zu können.

Primärenergie einsparen

Im Pilotprojekt mit dem Fraunhofer ITWM geht es daher zunächst darum, innerhalb der Wärmeerzeugungsanlage die Stellschrauben zu identifizieren, die Optimierungspotenzial aufweisen. »Dafür schauen wir uns die historischen Datensätze des Heizkraftwerks und seine ortstypischen Spezifikationen an. Mit diesen Informationen erstellen wir dann einen Digitalen Zwilling der Anlage«, erläutert Dr. Christian Salzig, Teamleiter »Digitale Zwillinge und Prädiktive Regelung« am Fraunhofer ITWM. »In der zweiten Projektphase implementieren wir den entwickelten Algorithmus in die simulierte Anlage und validieren die Ergebnisse.«

Danach geht es von der virtuellen in die reale Welt, das heißt in den Schaltschrank. Dort wird über das Steuerungssystem die erforderliche Aktion ausgeführt und direkt in die Praxis umgesetzt.

Wärme-Optimierung in zwei Stufen

Im ersten Schritt wird die Wärmeenergie im Sekundärkreislauf an den aktuellen und prognostizierten Bedarf der Verbrauchenden angepasst. Dabei wird sichergestellt, dass das Wasser im Wärmekreislauf nicht zu kalt und auch nicht zu warm ist, um Energieverluste zu vermeiden.

Danach optimieren die Forschenden des Fraunhofer ITWM den Primärkreislauf, also die Anlagentechnik. Hierzu zählen unter anderem gasbefeuerte Kessel. Diese regeln den Kesselbetrieb so, dass die im ersten Schritt als notwendig identifizierte Wärmeenergie möglichst effizient und passgenau zur Verfügung steht.

Das Team um Dr. Christian Salzig unterstützt die RheinEnergie ganzheitlich, von der Entwicklung der Methoden bis zur Integration von Hard- und Software im Schaltschrank. Der ressourceneffizientere Betrieb des Kölner Heizkraftwerks soll bereits im Oktober 2023 starten.

 

(Quelle: Fraunhofer ITWM/2023)

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