Energie sparen mit Künstlicher Intelligenz

Hier wird Energieversorgung neu gedacht: Die E-world energy & water ist der Branchentreffpunkt der europäischen Energiewirtschaft. Auch das Fraunhofer ITWM ist wieder vor Ort und zeigt mit innovativen Projekten, wie mathematische Modelle zur Energiewende und zum Erreichen der Klimaziele beitragen können. Die Forschenden der Abteilungen »Systemanalyse, Prognose und Regelung« und »Finanzmathematik« sowie »High Performance Computing« mit der »Green by IT-Gruppe« sind im Themenbereich Innovation in Halle 4 zu finden.

Ressourcen-optimierte Produktion

Jede Produktionsanlage lässt sich auf vielerlei Weisen optimieren. Die Forschenden aus Kaiserslautern entwickelten eine Künstliche Intelligenz (KI), die für eine nachhaltige Produktion sowie eine intelligente Energieerzeugung und -verteilung sorgt.

So ermitteln sie, wie sich der Energiebedarf abhängig von Produktionsschritten und Betriebspunkten der Anlagen verändert. Ziel dabei ist es, den Energiebedarf vorrauschauend zu planen und optimal zu steuern. Dabei berücksichtigen die Forschenden aber stets verschiedene weitere produktionsrelevante Zielgrößen: Produktqualität und Durchsatz, Energienutzung, Einsatz der verwendeten Rohstoffe sowie Zustand und Verfügbarkeit der Produktionsanlagen. Die entwickelten Verfahren führen zu einem nachhaltigen, ressourceneffizienteren Anlagenbetrieb.

Digitaler Zwilling optimiert Prozesse im Heizkraftwerk

Ein aktuelles Beispiel ist ein Projekt für die RheinEnergie AG in Köln, die nun einige ihrer Nahwärmeanlagen energieeffizienter – also sparsamer – betreiben kann. Im ersten Schritt identifizierten die Forschenden mit Methoden des Maschinellen Lernens das anlagenspezifische, zeit- und außentemperaturabhängige Lastprofil der Anlagen und koppelten dieses an die Wettervorhersage des Deutschen Wetterdienstes. Zusätzlich implementierten sie einen prädiktiven Regler, der das präzise Tracking der Temperaturvorgaben sicherstellt. Mit diesen beiden Komponenten konnte dann eine bedarfsgerechte und präzise Regelung der Vorlauftemperatur umgesetzt werden, die aktuellen Testläufen zufolge sechs bis sieben Prozent der Primärenergie einspart.

Flexible Lasten am Energiemarkt

Auch die Abteilung »Finanzmathematik« des Fraunhofer ITWM ist vor Ort und präsentiert einige ihrer Projekte. In der Energieforschung liegt ihr Fokus auf den deutschen Strommärkten, vor allem auf der Flexibilität von Lasten am Energiemarkt. Exemplarisch untersuchten sie eine virtuelle Batterie mit flexiblen Lade- und Entladezeiten, um deren Gebotsstrategie über verschiedene Kurzfristmärkte hinweg zu optimieren. Dies führte zur Erstellung eines optimalen Batterie-Fahrplans.

Die Forschung der Abteilung erstreckt sich auch auf Langfristmärkte. Aktuell arbeitet sie mit einem städtischen Energieversorger daran, dessen langfristige Beschaffungsstrategie zu optimieren. Außerdem vertreibt sie einen simulationsgestützten Risikomanager für Strom, Gas und CO2, der seit einigen Jahren in der Industrie im Einsatz ist.

Künstliche Intelligenz im Schaltschrank

Das Leistungsspektrum der Technologien umfasst so die Herleitung, Adaption und Implementierung der Algorithmen bis zur Auswahl und Integration von Hard- und Software im Schaltschrank. Dabei spielt Predictive Maintenance, also das Verringern von Ausfallzeiten und das Maximieren von Verfügbarkeiten von Anlagen durch Machine Learning, eine große Rolle. Das Fraunhofer ITWM erstellte hierzu eine KI, die mit Hilfe von smarten Sensordaten und Digitalen Zwillingen hilft, Stillstände zu vermeiden und Ausfallzeiten geringzuhalten, Wartungen kostenoptimal zu planen sowie Energie- und Produktionskosten bei optimaler Qualität zu senken. Auf der E-world zeigen die Forschenden mit einem Demonstrator, wie sich diese KI in den Schaltschrank von Maschinen und Anlagen installieren lässt.

Standortübergreifende Optimierung von Energieflüssen in Echtzeit

Die »Green by IT«-Gruppe präsentiert in Essen ein sektorengekoppeltes Energiemanagementsystem, das die standortübergreifend Energieflüsse in Echtzeit optimiert. Diese innovative Lösung berücksichtigt sowohl lokale Optimierungsziele als auch die dynamische Vernetzung von Standorten. Durch diese Bewirtschaftung virtueller Bilanzkreise in Echtzeit werden Verbräuche nicht mehr »im Rückspiegel« betrachtet, sondern aktiv gesteuert. Damit können sich Unternehmen standortübergreifend mit selbst erzeugter und gespeicherter Energie versorgen.

Das spart Kosten und steigert die Nachhaltigkeit – ein bedeutender Fortschritt im Bereich des sektorengekoppelten Energiemanagements für Unternehmen aller Branchen.

Digitale Zwillinge machen Ladesäulen effizienter

Die »Green by IT« des Fraunhofer ITWM entwickelte ein generisches Verfahren zur Erstellung digitaler Zwillinge für Batteriespeichersysteme sowie DC-(BiDi-)Ladesäulen von Elektrofahrzeugen. Mittels datengetriebener KI-Modellierung gelang es den Forschenden, detaillierte individuelle Modelle zu entwickeln, die die spezifischen Verluste über sämtliche Arbeitspunkte eines konkreten Wechselrichters beschreiben. Diese Effizienzmodelle bieten große Vorteile für Energiemanagementsysteme, indem sie eine effizienzoptimierte Steuerung ermöglichen und somit Wandlungsverluste von wechselrichterbasierten Geräten signifikant reduzieren. Erprobt wurde das Verfahren an Wärmepumpen, wo es die Erzeugung von Wärme zu den effizientesten Zeiten ermöglicht.

Das Fraunhofer ITWM stellt diese und weitere Projekte ab 20. Februar in Halle 4 vor (Standnummern 4G111, 4H112 und 4H114).