DDM Feldkirchen

Status

laufend

Ausgangssituation/Motivation

"DDM Feldkirchen" beschäftigt sich intensiv mit verschiedenen Digitalisierungsmaßnahmen im Fernwärmebereich. Die Digitalisierung wird aufgrund der immer komplexer werdenden Thematik zusehends wichtiger, nicht nur für die Betreiber, sondern für alle Stakeholdergruppen. Gründe für die zunehmende Komplexität ist zum einen die Dezentralisierung und zum anderen das voranschreitende Absenken aller Netzparameter wie Temperatur und Druck in Netz.

Mit den Herausforderungen, die diese Entwicklungen mit sich bringen, beschäftigen sich die beiden laufenden Forschungsprojekte der Kategorie "Industrielle Forschung", nämlich "lowTEMP4districtheat" und "Brainy Heat Grids", welche als Vorprojekte zum gegenwärtigen Demonstrationsprojekt angesehen werden können.

Inhalte und Zielsetzungen

Moderne Fernwärmesysteme sind darauf ausgelegt, heterogene Energiequellen und Technologien wie erneuerbare Energien, Abwärme, Wärmespeicher, Stromnetze, Wärmenetze und Wärmepumpen zu verbinden.

Der Entwurfsprozess ist sowohl kompliziert als auch entscheidend für die Leistung des Fernwärmenetzes. Daher soll eine Reihe von intelligenten Ansätzen (Digitaler Zwilling, modellprädiktive Regelungen, KI-basierte Prognosen) nicht nur zur Optimierung des Designs der Netze, sondern auch während ihres Betriebs für

1. eine optimale Steuerung der Betriebsabläufe,
2. eine genaue Fehlererkennung und
3. eine Steuerung von Übergabestationen,

erstellt und im Wärmenetz Feldkirchen getestet werden. Es besteht ein Bedarf an intelligenter Überwachung und Steuerung von Fernwärmesystemen, die von herkömmlichen PID-Reglern gesteuert werden, wobei die meisten Anpassungen aufgrund der Erfahrung der Netzbetreiber manuell durchgeführt werden.

Um die Transformation hin zu automatisierten Wärmesystemen zu unterstützen, sollen modellprädiktive Regelstrategien unter Einbezug von KI-basierten Prognosemodellen eingesetzt werden, die

1. Änderungen des Netzes sowie Datenausfälle in einem hohen Ausmaß kompensieren können,
2. robust gegenüber stochastischen Unsicherheiten sind, und
3. flexibel und skalierbar sind.

Methodische Vorgehensweise

Aufgrund der dynamischen Natur von Fernwärmenetzen, bedingt durch den stätigen Ausbau dieser, und durch häufigen Datenausfall bzw. der fehlenden Anschlussmöglichkeit diverser Messpunkte an das zentrale Regelsystem, ist eine vollständige Datenlage zur genauen Abbildung der thermohydraulischen Situation im Netz, unter Zuhilfenahme eines rein physikalischen Modells (White-Box-Modell) nur äußerst bedingt möglich.

Aus diesem Grund bedient man sich in "lowTEMP4districtheat" eines Digitales Zwillings, welcher mit Soft-Sensorik ausgestattet ist. Dieses Gray-Box-Modell ermöglicht das Vorhandensein mehrerer Freiheitsgrade. Bilanziell durch Standardlastgänge und KI-Methoden, kann mit diesem Modell und moderater Rechenleistung die thermohydraulische Gesamtsituation jederzeit im Netz möglichst realitätsnahe in Echtzeit abgebildet werden.

Dafür sollen im Projekt die notwendigen Schnittstellen zur, vom Projektpartner Hoval Gesellschaft m.b.H. in der Demonstrationsanlage bereits installierten, Software TopTronic® Supervisor, geschaffen werden. Mit diesen Schnittstellen muss die Überwachung, Datenaufzeichnung und die Optimierung von Energieerzeugungsanlagen sowie des gesamten Fernwärmenetzes in Echtzeit möglich sein.

Diese Echtzeitsimulation soll in "DDM Feldkirchen" zum einen als Basis für eine erweiterte Fehleranalyse herangezogen werden, indem simulierte mit gemessenen Daten verglichen werden. Zum anderen soll durch die Simulation die Regelung der Netzpumpen sowie der wärmeerzeugenden Anlagen optimiert werden. Schließlich soll ein Optimierungsalgorithmus das Speichermanagement der primären Wärmespeicher auf den aktuellen bzw. prognostizierten Wärmebedarf sowie auf den Betrieb einer, von einer örtlichen PV-Anlage versorgten, Wärmepumpe abstimmen.

Ein weiterer Schwerpunkt von "DDM Feldkirchen" wird auf der Umsetzung der, in "Brainy Heat Grids" entwickelten, übergeordneten Regelung diverser Fernwärmeübergabestationen, zur Lastspitzenminimierung und zur Senkung der Rücklauftemperaturen liegen. Hierbei dienen einzelne, von der Sekundärseite freigeschaltete, Übergabestation als Flexibilisierungswerkzeug, indem vor allem Beladungsvorgänge sekundärer Warmwasserspeicher zeitlich verschoben werden.

Diese Beladungsvorgänge haben grundsätzlich hohe primärseitige Rücklauftemperaturen zur Folge. Durch die zeitliche Verschiebung kann somit vor allem im Heizwerk eine allgemein niedrigere Rücklauftemperatur erzielt werden, mit den damit verbundenen Vorteilen für die wärmeerzeugenden Anlagen und für das Netz selbst.

Erwartete Ergebnisse

In "DDM Feldkirchen" werden zum Teil Ergebnisse der Forschungsprojekte "lowTEMP4districtheat" und "Brainy Heat Grids" angewendet. Aus "lowTEMP4districtheat" soll die transiente Netzsimulation mit Soft-Sensoren angewendet werden. Dabei soll, zum Beispiel, über einen MQTT-Broker auf die Echtzeitdaten von TopTronic® Supervisor zugegriffen und eine Echtzeitsimulation des Wärmenetzes in Python durchgeführt werden.

Aus "Brainy Heat Grids" sollen die Ergebnisse der verschiedenen Forecast-Methoden basierend auf KI sowie die Regelalgorithmen zur Ansteuerung einzelner Übergabestationen, mit dem Ziel der Lastspitzen- und Rücklauftemperaturminimierung verwendet werden. Auf Grundlage dieser Vorarbeiten sollen verschiedene prädiktive -Steueralgorithmen, mit dem Fokus auf das Heizwerk untersucht werden.

Zum Beispiel kann aus der transienten Netzsimulation der aktuelle Netzschlechtpunkt ermittelt werden. So kann der Druck am aktuellen Netzschlechtpunkt als Regelgröße der Netzpumpen herangezogen werden und nicht der festgelegte statische Netzschlechtpunkt. Weiters soll der Betrieb der zentralen wärmeerzeugenden Anlagen und der zentral liegenden Wärmespeicher auf die, bereits durch die Ergebnisse aus "Brainy Heat Grids" optimierten, Regelung der Übergabestationen abgestimmt werden.

Neben den Feldtests der Technologien aus den Projekten "lowTEMP4districtheat" und "Brainy Heat Grids" sind in "DDM Feldkirchen" noch diverse Fragestellungen zu weiteren Ausbaustufen des Wärmenetzes in Feldkirchen zu klären (z.B. neue Wärmepumpe). Hierfür sind passende Geschäfts- und Betreibermodelle zu definieren.

Projektleitung

4ward Energy Research GmbH

Projekt- bzw. Kooperationspartner:innen

• BC Regionalwärme Gruppe GmbH
• Hoval Gesellschaft m.b.H.
• GEF Ingenieur AG
• Energieagentur Obersteiermark GmbH
• Ingenieurbüro Jaindl & Garz GmbH
• Prozess Optimal CAP GmbH

4ward Energy Research GmbH
Dr. Markus Rabensteiner
Reininghausstraße 13A
A-8020 Graz
Tel.: +43 (664) 882 518 30
E-Mail: markus.rabensteiner@4wardenergy.at
Web: www.4wardenergy.at