Allgemeine Informationen

Projekt im BMBF-Förderschwerpunkt "Mathematik für Innovationen"
Laufzeit:        2022 bis 2025

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 (English version below)

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 .

Project description

The production of thermal energy is currently largely based on burning fossil fuels which leads to an significant amount of CO2 emissions. The energy transition and decarbonization of the economy can only succeed if in addition to the electricity production also the heat supply is transformed. The contribution of  renewable energies such as solar heat and geothermal energy has to be increased. The generation of heat from renewable energies is subject to strong seasonal and weather-dependent fluctuations. Further, it is often decentralized. This requires a suitable temporal and spatial balance of supply and demand. For this reason a new generation of heating networks, the so called cold district heating networks, as well as geothermal storages play an important role.

Our industry partners are engaged in the design and operation of such heating networks and storage facilities. In the planning and design as well as in the evaluation of the economic efficiency of such systems, they enter new territory in many places and often have to work with ad hoc approaches. This concerns the complex charging and discharging behavior of a geothermal energy storage system, questions about a suitable shape, insulation and size of these storage systems, an efficient spatial arrangement of the heat exchangers, the cost-optimal and anticipatory control of heating systems equipped with thermal energy storage systems, as well as their design, control and management.

In order to provide well-founded answers to the questions raised, the project will involve mathematical modeling and the development of digital twins of the aforementioned energy systems. While our academic partner KIT focuses on issues related to district heating networks, our project will investigate the simulation, optimization, and control of heating systems equipped with geothermal energy storage systems. Mathematical problems from shape optimization and stochastic optimal control are analyzed and solved using methods from numerical analysis and machine learning.

Projektbezogene Publikationen

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, 2023

P. H. Takam, Ralf 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)