Hybride Netzmodelle als Basis für den optimalen Betrieb von Fernwärmenetzen

Um den Betrieb von Fernwärmenetzen wirtschaftlich und energieeffizient zu gestalten, ist eine intelligente und leistungsfähige Netzregelung erforderlich. Diese basiert auf einem Modell des Netzes, welches sowohl genau als auch schnell sein muss. Darüber hinaus soll ein solches Modell möglichst transparent sein und leicht an Veränderungen des Netzes angepasst werden können. All diese Forderungen werden für große Fernwärmenetze nur von hybriden Modellen erfüllt, die ein Grundgerüst aus physikalischen Differentialgleichungen aufweisen und ansonsten in Form von Neuronalen Netzen gebildet werden.

In diesem Projekt sollen zunächst die Netzdaten aus den unterschiedlichsten Systemen des Netzbetreibers (Kundendatenbank, geographisches Informationssystem, Simulationssoftware, Prozessleitsystem) in einer Graphdatenbank zusammengeführt werden. Mit diesem neuen Ansatz können Zusammenhänge zwischen Informationen aus unterschiedlichen Systemen erkannt, dargestellt und für weitere Anwendungen nutzbar gemacht werden.

Aus diesen Daten wird im Rahmen des Projektes zunächst ein klassisches Simulationsmodell basierend auf Differentialgleichungen entwickelt, das dann in einem weiteren Schritt in ein hybrides Modell umgeformt wird, indem einzelne Teile durch Neuronale Netze abgebildet werden. Welche Teile dies sein sollten, ist Gegenstand der Forschung in diesem Projekt. Anschließend erfolgen Untersuchungen zur sicheren Adaption bzw. Anpassung des Hybridmodells an Veränderungen im Netz im laufenden Betrieb.

Den Abschluss des Projektes bildet der Einsatz des Hybridmodells in einer optimalen Netzregelung, wobei hier zwei unterschiedliche Ansätze erprobt werden sollen. Der eine Ansatz ist eine Modellprädiktive Regelung, bei der mit Hilfe numerischer Optimierungsmethoden modellbasiert zu jedem Zeitpunkt der optimale Steuerungseingriff ermittelt wird. Alternativ dazu soll im zweiten Ansatz ein Reinforcement Learning Konzept unter Einsatz von KI-Methoden erforscht werden.

Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer optimalen Netzregelung für das Fernwärmenetz Dortmund. Gegenüber dem aktuellen Stand soll die Energieeffizienz des Netzbetriebes um bis zu 20% verbessert werden, was allein in Dortmund einer Reduktion der Emissionen von ca. 1.248 t CO2 pro Jahr entspricht.