Im Rahmen der Energiewende spielen regenerative Energien und Energiespeicher und -netze eine wichtige Rolle. Hierbei bieten Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und Fernwärmesysteme großes Potential, um die fluktuierende Einspeisung der erneuerbaren Energien in das Stromnetz auszugleichen. Bisher wurde das Fernwärmenetz in der Einsatzoptimierung der KWK-Betriebsmittel nur als strukturlose Senke genutzt. Zudem erlauben Softwaretools zur hydrotechnischen Netzauslegung bisher nur statische Simulationen, weswegen schwankende Betriebsmittel unbeobachtet bleiben und nicht optimiert werden können. Durch die Unkenntnis des genauen Zustandes des Wärmenetzes werden zur Sicherheit oft, zusätzlich zur Müllverbrennung, Dampfkessel angefahren. Hierdurch wird der CO2-Ausstoß unnötig hochgetrieben. Im Verbundprojekt EiFer soll eine dynamische und strukturelle Modellierung des Fernwärmenetzes Abhilfe schaffen.

Mathematische Herausforderungen:
    • Modellierung des Fernwärmenetzes als port-Hamiltonisches System mit Zwangsbedingungen
        ◦ Erhaltung der Struktur bei Kopplung von verschiedenen pH-Systemen über Ein- und Ausgänge
        ◦ Kodierung physikalischer Eigenschaften in Modelleigenschaften
    • Entwicklung strukturerhaltender Numerik für pH-Systeme
    • Verknüpfung von Modellhierarchien auf Basis reduzierter pH-Systeme und adaptiver Optimierungstechniken
    • Erreichen eines gewünschten Systemzustands bzw. Systemstabilisierung durch modellprädiktive Regelung
    • Identifikation von Modellparametern aus Messdaten

Technische Arbeitsziele:
    • Nutzung des Fernwärmenetzes als intelligenten Wärmespeicher
        ◦ Ausgleich von Schwankungen am Strommarkt
        ◦ Reaktion auf Schwankungen in Wärmenachfrage ohne zusätzliche Wärmeproduktion
    • Schonung der Umwelt durch Vermeidung unnötiger Energieverluste und Reduzierung des CO2-Ausstoßes
    • Kostenersparnis durch sinkenden Gasverbrauch und intelligente Steuerung des Fernwärmenetzes.

Teilprojekte

• 05M18UTB | Teilprojekt 1: Entwicklung und numerische Umsetzung von Modellhierarchien | Universität Trier
• 05M18WEA | Teilprojekt 2: Adaptive Verfahren zur Optimierung gekoppelter pH-Systeme | Universität Trier
• 05M18KTA | Teilprojekt 3: Regelung von gekoppelten port-Hamiltonischen Wärme-Strom-Systemen | Technische Universität Berlin
• 05M18AMB | Teilprojekt 4: Parameteridentifikation und Entwicklung eines Demonstrators zur effizienten Wärme-Strom-Kopplung | Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik (ITWM)