Abteilung Simulation und Virtuelles Design
Die Energiewende erfordert eine umfangreiche, konzertierte Umgestaltung nahezu aller Industrieprozesse, um die Produktion bis 2045 von fossilen Energieträgern auf erneuerbare Energiequellen umzustellen. Damit dies gelingt – also die Klimaziele erreicht, Arbeitsplätze sowie Lebensstandard erhalten und die Energieversorgung sichergestellt werden – muss der Wandel effizient vollzogen werden. Die Ziele des Instituts zur Reduktion der industriebedingten CO2-Emissionen wird in der Abteilung SVD insbesondere durch die Entwicklung von Dekarbonisierungsstrategien und den Aufbau Digitaler Zwillinge für emissionsintensive Industrieprozesse sowie durch eine intelligente Sektorenkopplung umgesetzt.
Die Abteilung
Mit der Entwicklung von Dekarbonisierungsstrategien wird in Zusammenarbeit mit den Unternehmen und ausgehend von bestehenden Anlagen am Produktionsstandort der effektivste Transformationspfad erarbeitet, um fossile Produktionsprozesse schrittweise auf erneuerbare Energien umzustellen. Dazu wird der gesamte Prozess oder ausgewählte Abschnitte, bspw. das Dampfnetz oder eine Produktionslinie, zunächst über Simulationstools virtuell abgebildet. Dazu werden in der Abteilung für Simulation und virtuelles Design (SVD) neue Softwarewerkzeuge entwickelt, mit deren Hilfe Industrieprozesse virtuell abgebildet und wissenschaftlich untersucht werden können. Zur Validierung der virtuellen Abbilder dienen Messdaten der realen Anlagen. Durch die Modifikation des virtuellen Abbilds, indem z.B. neue, nachhaltige Technologien wie Hochtemperaturwärmepumpen, kohlenstoffarme Energieträger, Energiespeicher oder erneuerbare Stromquellen die fossilen Emissionsquellen ersetzen, wird das optimale Transformationskonzept für den betrachteten Produktionsstandort gefunden, dessen Umsetzung durch das Unternehmen oder mit dem DLR im Rahmen gemeinsamer Projekte weiterverfolgt werden kann.
Die Umstellung auf erneuerbare Energiequellen ist mit einer schwankenden Energiebereitstellung verbunden, die durch Speicher und den lastflexiblen Betrieb von Anlagenkomponenten ausgeglichen werden muss. Zukünftige Industrieprozesse müssen prädiktiv gesteuert werden, um kostenoptimal betrieben werden zu können. Dies erfordert den Aufbau Digitaler Zwillinge. Der Begriff meint realitätsnahe, virtuelle Abbilder der Industrieprozesse, die parallel zum realen Prozess betrieben werden und über Echtzeitmessungen mit diesem verbunden sind. Basierend auf Preis- und Wetterprognosen wird auf dem Digitalen Zwilling der emissions- oder kostenoptimale Betrieb für die nächsten Stunden ermittelt, dem die reale Anlage folgt. Dies erfordert detaillierte Modelle aller Prozessschritte, sehr genaue Vorhersagemodelle sowie effiziente Optimierungsalgorithmen, die in der Abteilung SVD fortwährend entwickelt und verbessert werden.
Der Energiebedarf muss zukünftig auch dadurch gesenkt werden, dass Industrieprozesse mit anderen Sektoren effizient gekoppelt werden. Insbesondere bei der Verschaltung von Energieangebot und Energieverbrauchern spielt der Aufbau intelligenter Energienetzwerke eine große Rolle. Dazu müssen Sonnen- und Windenergie, Kraftwerke, Speichersysteme, Wohn- und öffentliche Gebäude und Industrieanlagen miteinander vernetzt werden. KI‑gestützte Programme steuern, wie die zur Verfügung stehende Energie zu jedem Zeitpunkt verteilt, gespeichert, umgewandelt oder abgerufen wird. Die von der Abteilung SVD entwickelte Simulationsumgebung ermöglicht es, eine verlustarme und strukturübergreifende Verteilung von Strom, mechanischer Arbeit, Wärme und Grundstoffen zu realisieren. In Zukunft müssen Städte und Industriestandorte effizienter mit Energie umgehen. Gerade deshalb kommt der Realisierung dieser Netzwerke als essentieller Bestandteil der Energieforschung eine hohe Bedeutung zu.
Innerhalb des Instituts unterstützt die Abteilung SVD zudem die Forschungsarbeiten zu Hochtemperaturwärmepumpen, einer Schlüsselkomponente der Wärmewende, durch die Entwicklung einer flexiblen Simulationsumgebung und untersucht, in welcher Modelltiefe die Prozesse bei der Bereitstellung von Hochtemperaturwärme wiedergegeben werden können. Hierbei wird in Kooperation mit anderen Instituten und Forschungseinrichtungen an der Weiterentwicklung von Simulationsmethoden gearbeitet.