Digitale Zwillinge sind virtuelle Abbilder realer Systeme, die es ermöglichen, komplexe Prozesse zu simulieren, zu überwachen und zu optimieren. Das Fraunhofer ITWM nutzt diese Technologie, um Energieerzeugung, -transport und -verbrauch effizienter und robuster zu gestalten. So spielen die Wissenschaftler:innen Szenarien durch, minimieren Risiken und treiben die Integration erneuerbarer Energien voran.

Flexible Strommärkte und Risikomanagement für die Energiewende

Der Ausbau erneuerbarer Energien verändert die Preisbildung an Strommärkten und beeinflusst die Prognose von Lastprofilen erheblich. Für eine stabile Versorgung und einen resilienten Energiemarkt ist es entscheidend, diese Mechanismen bei der Bewertung von Anlagen und Verträgen sowie im Risikomanagement zu berücksichtigen. Neben dem Ausbau von Speichertechnologien spielt die Flexibilität auf der Nachfrageseite eine zentrale Rolle. Dynamische Stromtarife und flexible Verträge schaffen ökonomische Anreize für Verbraucher und tragen zur Integration erneuerbarer Energien bei.

Das Fraunhofer ITWM entwickelt hierfür Werkzeuge, die Versorger und Stadtwerke bei der Bewertung und Absicherung von Portfolios unterstützen.

“Unsere Modelle berücksichtigen, wie das Wetter die Produktion erneuerbarer Energien beeinflusst – und welche Risiken sich daraus ergeben. In unsere Lastprognosen fließen deshalb Faktoren wie Sonneneinstrahlung, Temperatur, Eigenproduktion durch Photovoltaik, Wärmepumpen, Batterien und E-Mobilität ein. So legen wir die Basis für ein Risikomanagement, das funktioniert, und für einen Energiemarkt, der nachhaltig gestaltet ist”, erklärt Jörg Wenzel, der das Projekt am Fraunhofer ITWM betreut.

Fernwärme im Fokus: “AD Net Heat” für intelligente Netze

Ein Schwerpunkt des Messeauftritts von Fraunhofer ITWM auf der E-world ist die Softwarelösung “AD Net Heat”, die Fernwärmenetze dynamisch simuliert und in Echtzeit optimiert.

“Mit einem Digitalen Zwilling des Netzes können Versorgungsunternehmen die Temperatur- und Strömungsverhältnisse im aktuell vorhandenen Wärmenetz sowie zukünftigen Ausbaustufen überprüfen und den Betrieb stets effizient steuern – selbst unter komplexen Bedingungen wie dezentraler Einspeisung”, so Johanna Heidrich, Expertin für die Software am Fraunhofer ITWM.

Die Software kombiniert thermo-hydraulische Netzsimulation mit mathematischer Optimierung und ermöglicht so Lastspitzen abzufangen, Einspeisetemperaturen optimal abzusenken und Netzausbau-Szenarien inklusive erneuerbarer Wärmeerzeuger zu planen.

Heizen mit KI: Effizienzsteigerung in Wärmeerzeugungsanlagen

Mit KI-gestützten Technologien und Digitalen Zwillingen optimieren die Forschenden den Betrieb von Heizkraftwerken und Nahwärmenetzen. Die Lösungen des Fraunhofer ITWM ermöglichen eine vorausschauende Planung des Energiebedarfs, die intelligente Steuerung von Anlagen und die Reduktion von Primärenergie – insbesondere Gas. An einer Vielzahl von Heizanlagen konnten die Forschenden mit Energieversorgern wie RheinEnergie zeigen, wie sich durch datenbasierte Regelung und Automatisierung erhebliche Energieeinsparungen und CO₂-Reduktionen erzielen lassen.

Leistungselektronik und Netzstabilität: Torsionsmonitoring für Synchrongeneratoren

Die Forschenden am Fraunhofer ITWM erfassen und analysieren, wie leistungselektronische Betriebsmittel Synchrongeneratoren beeinflussen. In elektrischen Netzen treten zunehmend Frequenzanregungen auf, die niederfrequente Torsionsschwingungen an Wellensträngen verursachen können. Solche Schwingungen führen zu erhöhten mechanischen Belastungen in rotierenden Maschinen, zu Kopplungseffekten zwischen Netz- und Anlagendynamiken und bergen das Risiko von Stabilitätsproblemen im Gesamtsystem. Mit dem wachsenden Anteil leistungselektronischer Komponenten, der Einführung netzbildender Regelungen und dem geplanten Ausbau moderner Gaskraftwerke mit schnell regelbaren Turbinen und Generatoren ist zu erwarten, dass diese Phänomene künftig weiter zunehmen. Erste Messungen mit den Torsionsmonitoringsystemen des Fraunhofer ITWM in realen Netzen zeigen bereits heute deutliche Anzeichen solcher Wechselwirkungen auf verschiedenen Spannungsebenen.

(Quelle: Fraunhofer ITWM)