Allgemeine Informationen

Projekt im BMBF-Förderschwerpunkt "Mathematik für Innovationen"
Laufzeit:        2022 bis 2026

Projektleitung

Prof. Dr. Ralf Wunderlich (Koordinator), Prof. Dr. Gerd Wachsmuth, 

Verbundpartner

Prof. Dr. Nicole Bäuerle (KIT Karlsruhe)

Anwendungspartner

eZeit Ingenieure GmbH, Berlin
hartig & ingenieure, Gesellschaft für Infrastruktur- und Umweltplanung mbH, Chemnitz

Projektbeschreibung

Die Produktion von Wärme erfolgt derzeit noch zu einem großen Teil durch Verbrennung fossiler Energieträger und führt zu einem erheblichen CO2-Ausstoß. Die Energiewende und Dekarbonisierung der Wirtschaft kann nur gelingen, wenn neben der Stromproduktion auch die Wärmeversorgung umgebaut wird. Dort sind erneuerbare Energien wie Solarwärme und Geothermie stärker zu nutzen. Die Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien unterliegt starken saisonalen und wetterabhängigen Schwankungen und erfolgt häufig dezentral. Dies verlangt nach einem geeigneten zeitlichen und räumlichen Ausgleich von Angebot und Nachfrage. Hier spielen eine neue Generation von Wärmenetzen, die 'kalten' Nahwärmenetze, sowie Erdwärmespeicher eine wichtige Rolle.

Unsere Anwendungspartner beschäftigen sich mit der Konzeption und dem Einsatz solcher Wärmenetze und -speicher. Bei der Planung und Auslegung als auch bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit solcher Systeme betreten sie an vielen Stellen Neuland und müssen oft mit Adhoc-Ansätzen arbeiten. Dies betrifft das komplexe Lade- und Entladeverhalten eines Erdwärmespeichers, Fragen nach einer geeigneten Form, Isolation und Größe dieser Speicher, einer effizienten räumlichen Anordnung der Wärmetauscher, die kostenoptimale und vorausschauende Steuerung von mit Wärmepeichern ausgestatteten Heizungssystemen, sowie deren Auslegung, Steuerung und Bewirtschaftung.

Um fundierte Antworten auf die aufgeworfenen Fragen zu geben, sollen im Projekt die mathematische Modellierung und die Entwicklung von digitalen Zwillingen der genannten Energiesysteme erfolgen. Während sich unser Verbundpartner KIT auf Fragen zu Nahwärmenetzen konzentriert, sollen in unserem Projekt die Simulation, Optimierung und Steuerung von mit Erdwärmespeichern ausgestatteten Heizungssystemen untersucht werden. Es werden mathematische Probleme aus der Formoptimierung und der stochastischen optimalen Steuerung analysiert und mit Methoden aus der Numerik und des Machine Learning gelöst .

Projektbezogene Publikationen

Paul Honore Takam, Nathalie Fruiba
Stochastic Optimal Control Problems for the Cost-Optimal Management of a Standalone Microgrid
arxiv.org/abs/2511.00167 [math.OC]

P.H. Takam, R. Wunderlich
Numerical Simulation of the Input-Output Behavior of a Geothermal Energy Storage.
Energies, 18, 1558, 2025

P.H. Takam, R. Wunderlich
Cost-optimal Management of a Residential Heating System With a Geothermal Energy Storage Under Uncertainty.
arXiv:2502.19619 [math.OC] (2025)

E. Pilling, M. Bähr, R. Wunderlich
Stochastic Optimal Control of an Industrial Power-to-Heat System with High-Temperature Heat Pump and Thermal Energy Storage.
arXiv:2411.02211 [math.OC] (2024)

P.H. Takam, R. Wunderlich: Model order reduction for the input–output behavior of a geothermal energy storage.
Journal of Engineering Mathematics (2024) 148:12

P.H. Takam, R. Wunderlich, O. Menoukeu Pamen: Modeling and simulation of the input–output behavior of a geothermal energy storage. Mathematical Methods in the Applied Sciences,
47(1), 371-396, 2024

P. H. Takam, R. Wunderlich: On the Input-Output Behavior of a Geothermal Energy Storage: Approximations by Model Order Reduction.
arXiv:2209.14761 [math.NA] (2022)

P. H. Takam, R. Wunderlich, O. Menoukeu Pamen: Short-Term Behavior of a Geothermal Energy Storage: Modeling and Theoretical Results.
arXiv: 2104.05005 [math.NA] (2021)

P. H. Takam, R. Wunderlich, O. Menoukeu Pamen: Short-Term Behavior of a Geothermal Energy Storage: Numerical Applications.
arXiv:2104.05116 [math.NA] (2021)