Intelligente, physikbasierte Regelungssysteme mit thermischen Speichern ermöglichen die effiziente Nutzung erneuerbarer Energien in Quartieren, indem sie Erzeugung, Verbrauch und Speicherung optimal koordinieren.

Regelung sektorgekoppelter Energiesysteme unter besonderer Berücksichtigung thermischer Energiespeicher

Photovoltaik ist bereits heute eine kosteneffiziente und CO₂-arme Form der Energieerzeugung. Allerdings unterliegt ihre Leistung tageszeitlichen und saisonalen Schwankungen. Die Energielandschaft der Zukunft wird daher von Phasen nahezu unbegrenzter Verfügbarkeit und Zeiten geprägt sein, in denen Strom als knappes Gut effizient eingesetzt werden muss. Hier kann Lastflexibilisierung einen wesentlichen Beitrag leisten. Ein bedeutender Verbraucher ist dabei die Gebäudeheizung. Während Neubauten durch moderne Isolationsmaterialien geringe Energieverbräuche erreichen, bleibt eine umfassende energetische Sanierung von Altbauten oft zu aufwendig. Klimafreundliche Heizlösungen ohne tiefgreifende bauliche Eingriffe sind daher dringend erforderlich.

Intelligente Regler sind hierbei ein zentraler Baustein. Sie bestimmen, wann und wo Energie erzeugt, genutzt, transportiert oder gespeichert werden soll. Ihr besonderer Vorzug liegt darin, dass sie lediglich kostengünstige Kleinstsensoren und wenige zusätzliche Komponenten erfordern und sich damit schnell, preiswert und vor allem nachträglich einbauen lassen. Solche Ansätze sind insbesondere auf Quartiersebene interessant, da hier mittlere und große thermische Speicher realisierbar werden und sich im großskaligen Betrieb auch kleinere Effizienzgewinne schnell wirtschaftlich rechnen.

Herausforderungen und Methoden

Die Dokumentation über den Aufbau von Bestandsgebäuden und -anlagen ist oft unzugänglich oder gar nicht vorhanden. Selbstlernende Methoden sind daher von großer Bedeutung. Üblicherweise stehen keine großen Datensätze für das Training zur Verfügung, stattdessen müssen die erforderlichen Daten im laufenden Betrieb erhoben werden, was eine effiziente Datennutzung unabdingbar macht. Dabei ist es nicht wünschenswert, fundamentale physikalische Zusammenhänge vollständig aus Daten neu zu identifizieren. Physikbasierte Lernmethoden erlauben es, grundlegende physikalische Gesetzmäßigkeiten als Vorwissen einzubringen und lediglich unbekannte Details maschinell zu lernen.

Darüber hinaus wird ein verteiltes Netz aus einer prinzipiell unbegrenzten und zeitlich veränderlichen Anzahl von Komponenten betrachtet. Die Skalierbarkeit des Ansatzes ist daher von zentraler Bedeutung. Modulare Methoden erweisen sich als besonders geeignet und lassen sich mithilfe der Passivitätstheorie systematisch beherrschen. Langzeitspeicher, deren Betrieb sich über lange Zeithorizonte erstreckt, stellen eine numerische Herausforderung dar. Strukturerhaltende Integratoren und eine differentialgeometrische Problemformulierung bieten hier einen vielversprechenden Rahmen.

Projektarbeit D²HeaTEC

Im Verbundprojekt D²HeaTEC (Decarbonizing District Heating with Techno-Economic Control) wird ein integriertes Regelungskonzept entwickelt und erprobt, das technische und ökonomische Aspekte einer dezentralen, erneuerbaren Wärmeversorgung koordiniert. Als Testgebiete dienen zwei Wohnquartiere in Köln, die einen direkten Vergleich von erdgasbasierter Wärmeerzeugung und elektrischen Wärmepumpen ermöglichen.

Hierzu werden die Wärmesysteme modelliert und techno-ökonomisch geregelt. Das Systemmodell umfasst Modelle der Erzeugereinheiten und Verteilnetze beider Quartiere sowie ein modulares Wohnungsmodell. Während Erzeuger und Verteilnetz bereits in Echtzeit vermessen werden, sollen speziell für dieses Projekt Radiatorstellantriebe, Heizkostenverteiler und Raumluftsensoren in den Wohnungen der Teilnehmer installiert werden. Alle Daten fließen pseudonymisiert zusammen.

Das Regelungskonzept hat Zugang zu diesen aggregierten Daten und löst damit ein grundlegendes Problem konventioneller Systeme: Bisher optimieren Bewohner, Vermieter und Netzbetreiber bestenfalls lokal und innerhalb ihrer jeweiligen Zuständigkeiten. Die entwickelte Regelung überwindet diese Fragmentierung. 

Für Zusammenarbeiten bitte jederzeit melden

Bei Interesse an Forschungskollaborationen, Abschlussarbeiten, Forschungspraktika oder HiWi-Tätigkeiten können Sie sich jederzeit melden. Neben den explizit ausgeschriebenen Projekten gibt es immer weitere spannende und aktuelle Themen.

• Betreuung der Vorlesung Signale und Systeme (SuS)
• Labor Regelungstechnik (LR)