Kälteanlagen mit digitalem Zwilling und KI bedarfsgerecht regeln

Als kommunales Unternehmen mit rund 1.100 Mitarbeitenden versorgen die Stadtwerke Karlsruhe über 400.000 Menschen mit Strom, Erdgas, Fernwärme und Trinkwasser. So auch das Areal des Karlsruher GartenCarées, dessen Kälteversorgungsanlage die Stadtwerke betreiben. Neben Wohnungen und Büros beherbergt der Gebäudekomplex auch ein Rechenzentrum sowie Arztpraxen, eine Ladenzeile und Gastronomie. Die Kälteanlage des GartenCarées besteht aus drei Absorbern, die mit umweltfreundlicher Fernwärme bzw. Prozessabwärme einer nahegelegenen Raffinerie betrieben werden, sowie einer Kompressions-Kältemaschine mit zwei Verdichtern und einem Rückkühlwerk. „Was den Energieverbrauch unserer Anlage betraf, befanden wir uns mehr oder weniger im Blindflug“, erinnert sich Jürgen Weiß, Teamleiter Baumanagement und Technik bei den Stadtwerken Karlsruhe. „Ende des Jahres konnten wir nur sehen, wie viele Megawattstunden Kälte wir produziert hatten und wie viel Strom und Fernwärme wir dafür verbraucht hatten.“

Bei der Kälteerzeugung ist es ein großes Problem, dass Pumpen und Rückkühlwerke unerkannt oft genauso viel Strom verbrauchen, wie die Kälteerzeuger selbst. Zudem findet die Optimierung des Strombedarfs häufig nur auf Komponentenebene und genauso oft nur für einen in der Planung definierten Betriebszustand statt. Dieser Zustand liegt typischerweise in weniger als 3 % aller Betriebsstunden vor. Die Folge ist ein vermeidbarer Verbrauch an Elektroenergie während vieler Betriebsstunden.

Projektziel: Mehr Transparenz und Effizienz

Die Stadtwerke hatten es sich zum Ziel gesetzt, Einsparpotenziale zu identifizieren und realisieren. Die Erzielung von Effizienzgewinnen durch ein besseres Zusammenspiel der Komponenten ist das Spezialgebiet von Faktor4Solutions, Entwickler für digitale Systeme. „Dazu haben wir mit dem Anbieter ein automatisiertes Energie-Systemmanagement installiert, das eine bessere Steuerung der Komponenten vornimmt und zudem ein detailliertes Controlling ermöglicht. Dadurch werden jetzt alle Energieflüsse im Detail sichtbar und die Optimierung direkt umgesetzt und analysiert. Die Transparenz, die wir dadurch erzielen, ist ein großer Vorteil“, sagt Weiß. Dabei werden Parameter wie Volumenstrom von Kalt- und Kühlwasser gemessen und ausgewertet, um zu prüfen, inwieweit es wirtschaftlich ist, die Absorber oder die freie Kühlung in Bezug auf die Außentemperatur zu betreiben. Ein Beispiel: Pumpen, die durchgehend auf 100 % Volumenstrom laufen, obwohl ­situationsabhängig gegebenenfalls 60 % oder weniger genügen, bieten erhebliche Effizienz- und Einsparpotenziale.

20 % Elektroenergie eingespart

Die intelligente Software von Factor4Solutions betrachtet den Betrieb aller für die Kältetechnik relevanten Komponenten und damit deren energetische Betriebsaufwendungen gemeinsam. Dazu nutzt das Programm digitale Zwillinge der Komponenten und des jeweiligen Kältesystems, über die sich in Echtzeit während des Betriebs oder auch situativ errechnen lässt, wie sich die einzelnen Komponenten verhalten müssen, um die maximale Effizienz des Systems zu erzielen. Die Kälteerzeuger sowie alle Hilfsaggregate werden somit nicht mehr nach fester Reihenfolge (Grund- und Spitzenlast) eingesetzt, sondern effizienzbasiert – abhängig von den Witterungsbedingungen und der geforderten Leistung – über standardisierte Protokolle von dem Systemmanagement freigegeben und geregelt. Damit kann in jeder Lastsituation den effizientesten Systembetrieb erreicht werden.

Dass dies auch für ihre Anlage stimmt, konnten die Stadtwerke bereits nach Abschluss der Testphase ermitteln. „Wir haben allein schon in diesen sechs Monaten über 20 % an elektrischer Jahresenergie eingespart, was in Bezug auf den finanziellen Aufwand einem fünfstelligen Bereich entspricht“, so Weiß. Und das sei erst der Anfang, denn auf ein ganzes Jahr gesehen gibt es noch viel Optimierungspotenzial – u. a. deshalb, weil die verschiedenen Komponenten der Kälteanlage zu jeder Jahreszeit, abhängig vom Kältebedarf und der Umgebungstemperatur, für das Optimum anders zusammenarbeiten. Weiß erklärt: „Die anderen sechs Monate lief die Anlage ja noch nach unserer herkömmlichen Regelung, d. h., wir können noch deutlich mehr Energie einsparen. Laut Berechnung von Factor4Solutions mehr als 40 %. Und genau da wollen wir ja auch hin.“

Betriebssicherheit mittels KI-gestützter Fernwartung

Ein weiterer großer Vorteil für die Stadtwerke ist die Tatsache, dass die Anlage bzw. Software auch nach der Installation vom Anbieter permanent überwacht, geprüft und optimiert wird. „Wir überwachen die Anlage zwar auch, aber für uns ist es ein großer Vorteil, dass das Team des Kältetechnik-Spezialisten mit seinem fundierten Know-how im Bereich Kältetechnik die Anlage per KI-gestützter Fernwartung betreibt und wir sofort erfahren, wenn irgendwas nicht funktionieren sollte“, sagt Weiß. Mit der Software können Nutzer aufgrund der Verwendung von digitalen Zwillingen sowie Echtzeit-Abgleich von Betriebsdaten schon im Vorfeld über Abweichungen und drohende Ausfälle informiert werden, wodurch sich diese prädiktiv vermeiden lassen. „Dass die Betriebsfähigkeit zu jeder Zeit gewährleistet ist, ist für uns besonders wichtig, weil wir verpflichtet sind, die Kälte zu liefern. Denn im GartenCarée versorgen wir ja nicht nur Büro- und Wohneinheiten mit Kälte, sondern u. a. auch ein Rechenzentrum“, so Weiß.

Zum Verlauf der Einführungsphase sagt er: „Wir haben in Zusammenarbeit mit dem Dienstleister, der unsere Mess- und Regeltechnik betreut, die entsprechenden Daten, die der Anbieter für den Setup der Lösung benötigt, freigegeben. Dazu hatte Factor4Solutions aus Berlin, die die Lösung von dort aus remote steuert, uns bereits im Vorfeld mitgeteilt, welche Datenpunkte dies sind – u. a. Volumenstrom, Temperatur bzw. Wärme- und Kältemengenzähler. Danach ging es schnell: Innerhalb eines Tages war die Software entsprechend eingestellt, nach vier bis sechs Wochen stand die erste Analyse bereit. Anhand der gewonnenen Daten war dann erkennbar, welche Datenpunkte zusätzlich noch nötig sind, und das System wurde entsprechend feinjustiert.“

Schnelle Amortisation

Bereits nach der Testphase war das Amortisationspotenzial erkennbar: „Ich musste nur den Jahresverbrauch sowie die Kälte­erzeugung im Vergleich zum Vorjahr betrachten, um die deutliche Effizienzsteigerung und die Energieeinsparung zu sehen“, sagt Weiß. Und auch hinsichtlich der Amortisierung des Systems ist der Teamleiter sehr zufrieden. „Die jährlichen Kosten für die Kooperation mit den Kältetechnik-Spezialisten amortisieren sich durch die Energieeinsparungen jeweils bereits nach den ersten fünf Monaten.“

Mit diesen Ergebnissen wollen die Stadtwerke Karlsruhe die Zusammenarbeit mit Factor4Solutions ausweiten. „Mittlerweile lassen wir bereits eine weitere Anlage von Factor4Solution betreuen. Und wir betreiben noch weitere Kälteanlagen, die potenziell in Frage kommen“, so Weiß. Da sich die Software in nahezu in alle Systeme integrieren lässt, sehen die Stadtwerke auch hier große Chancen, dass das KI-System die gewünschten Analysen und Einsparpotenziale realisieren kann.