Selbstfahrende Gebäude – Fernwärme im Zeitalter der KI

Donnerstag, 5. September 2019

Selbstfahrende Gebäude – Fernwärme im Zeitalter der KI

Die Steuerung von Zentralheizungen basiert i. d. R. auf der Messung der Außentemperatur, einer stati- schen Regelkurve und der manuellen Anpassungen der Kurve. Das finnische Unternehmen Leanheat hat dieses Denken auf den Kopf gestellt. Bei der Leanheat-Regelung bestimmt das Raumklima den Heizbedarf. Das Ergebnis ist mehr Komfort und eine bessere Energieeffizienz.

Die von Leanheat entwickelte, auf künstlicher Intelligenz (KI) beruhende Regelungsmethode passt die Vorlauftemperatur des in der Zentralheizung zirkulierenden Wassers anhand der Temperatur- und Feuchtigkeitsdaten aus den Wohnungen an. Die Idee besteht darin, einen Sollwert für die Raumtemperatur festzulegen und das Heizventil in der Gebäudeleitzentrale so zu steuern, dass die gewünschte Raumtemperatur erreicht und auch bei sich ändernden Witterungsbedingungen und Gebäudenutzungsverhalten gehalten wird.

In einer zweiwöchigen Lernphase nach der Installation erstellt die Software von Leanheat mit maschinellem Lernen für jedes Gebäude ein individuelles mathematisches Modell. Dieses Modell berücksichtigt, in welchem Maß das Gebäude Wärmeenergie unter verschiedenen Bedingungen speichern und abgeben kann. Das Modell ist dynamisch, misst laufend alle relevanten Werte und reagiert automatisch auf Veränderungen der Gebäudethermodynamik. Mit dem Modell kann die Gebäudeheizung so optimiert werden, dass das Raumklima stets angenehm ist und gleichzeitig Energie gespart wird. Abweichungen des tatsächlichen Verhaltens gegenüber des modellierten Verhaltens bieten zudem eine gute Grundlage für prädiktive Analysen. Basierend auf Daten von 40.000 Wohnungen kann gezeigt werden, dass wenn die herkömmliche konstante Regelkurve durch einen dynamischen Regelmechanismus ersetzt wird, der Heizenergiebedarf um durchschnittlich 7 % gesenkt werden kann.

Zusätzlich zur Energieeinsparung kann Leanheat auch zur Reduzierung des Spitzenwärmebedarfs von Gebäuden eingesetzt werden, was bei Fernwärmenetzen sehr wichtig ist, da die Leistung der Wärme- erzeugungsanlagen mit dem Bedarf im Spitzenlastfall in Einklang gebracht werden muss. Durch die Verschiebung der Raumheizung im Zeitraum der Warmwasserbereitung kann Leanheat die Spitzenlasten um ca. 20 % senken. Dem Gebäude wird zu einem Zeitpunkt zusätzliche Wärme zugeführt, bevor der Warmwasserverbrauch im Gebäude steigt, z. B. bevor die Bewohner morgens und abends duschen. In den folgenden Stunden kann dann die Raumheizung gesenkt werden, ohne dass dies Auswirkungen auf die Raumtemperatur hat. Die Theorie klingt einfach, aber für die Regelung der Raumheizung ist in der Praxis eine aufwendige Technologie erforderlich, um das Raumklima konstant zu halten und den Nutzen der Spitzenlastreduktion zu maximieren, da die Heizung ihre Wirkung erst stark verzögert entfaltet.

Die Reduzierung des Spitzenwärmebedarfs ermöglicht Fernwärmeunternehmen eine konstantere Produktionskurve und einen geringeren Bedarf an vorgehaltener Kapazität für Spitzenlasten. In vielen Ländern werden die Fernwärmepreise nicht nur nach dem Energieverbrauch, sondern auch nach dem Spitzenwärmebedarf berechnet. In diesen Ländern führt der Rückgang der Spitzennachfrage zu niedrigeren Preisen für die Verbraucher. Gemäß den Ergebnissen von Leanheat aus über 1.000 Übergabestationen kann mit der Technologie eine Einsparung von durchschnittlich 20 % erzielt werden.

 

Die Endkunden sind nicht die einzigen Gewinner

Der Nutzen von Leanheat für Kunden ist klar und wird durch die stark steigende Nachfrage bestätigt. Leanheat hat bis Ende 2018 ca. 100.000 Wohnungen mit einer solchen Regelung ausgestattet, verglichen mit 35.000 zu Beginn des Jahres. Da Leanheat die Energieeffizienz erhöht und damit den Fernwärme- verbrauch verringert, bedeutet diese Technologie für den Fernwärmesektor eine Disruption. Diese zunächst düsteren Aussichten für die Fernwärme werden jedoch durch andere Vorteile aufgehoben. In vielen Fernwärmenetzen werden für die Erzeugung von Spitzenenergie teurere und weniger umweltschonende Brennstoffe eingesetzt als für die Erzeugung der Grundlast. Die Verlagerung der Spitzenlasterzeugung auf Grundlastkraftwerke ist daher sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch attraktiv (Bild 2) Darüber hinaus kühlt die Leanheat-Regelung die Rücklauftemperatur des Fernwärmewassers um zusätzliche 2 bis 4 K und erhöht damit die Wirtschaftlichkeit z.B. von Rauchgaswäschern.

Hat das Fernwärmenetz keinen Wärmespeicher, so bieten sich Gebäude als ungenutzte Ressource an, die bereits besteht und sofort durch das digitale Regelsystem von Leanheat genutzt werden kann. Des Weiteren sind diese Speicherkapazitäten natürlich verteilt, was Vorteile beim Netzausgleich bietet. Nach Berechnungen von Leanheat bieten 1.200 Wohnungen eine Flexibilitätskapazität von 1 MW zu etwa 1/5 des Preises, der bei einer Erzeugung durch erneuerbare Energien anfallen würde. Im Vergleich zum Investitionsbedarf, der für eine Dekarbonisierung des Fernwärmesystems nötig wäre, stellt diese Lösung auch für den Fernwärmeanbieter eine kosteneffektive Alternative dar. Leanheat kann auch zur Bedarfssteuerung (Demand Response) ein- gesetzt werden – der Modus, der darauf abzielt, die gesamte Kette von der Erzeugung bis zum Verbrauch zu optimieren (Bild 2). Die Regelung nach Demand Response findet nicht aus Sicht eines einzelnen Gebäudes statt, sondern aus Sicht des gesamten Fernwärmenetzes. Die optimale Umsetzung hängt individuell vom Netz und von den Produktionsbedingungen ab, sodass die Einführung eine enge Zusammenarbeit mit dem Wärmeerzeuger erfordert. In der Praxis kann Nachfrageflexibilität umgesetzt werden, indem beispielsweise existierende stündliche Preissignale der Fernwärme genutzt werden. In diesem Fall bietet das Energieunternehmen der Liegenschaft finanzielle Anreize, den Verbrauch je nach aktuellen Erzeugungsbedingungen zu reduzieren oder zu erhöhen. Mit einer Kraft-Wärme-Kopplung kann der Produzent die Wärmeerzeugung maximieren, wenn der Strompreis auf den Spotmärkten hoch ist und umgekehrt. Nur wenige Fernwärmegesellschaften oder Lösungsanbieter sind dazu bisher in der Lage, aber die Branche entwickelt sich rasant. So hat Leanheat etwa im finnischen Espoo zusammen mit dem Energieunternehmen Fortum und lokalen Immobiliengesellschaften 5.000 Wohnungen an ein Fernwärmenetz angeschlossen.

 

Weniger Kundenabwanderung: mehr verkaufte Energie

Zusätzlich zu den Erzeugungsvorteilen erhalten Fernwärmegesellschaften eine neue Plattform für Services, die auf der Automatisierung von Leanheat beruht. Dies ist in Zeiten eines harten Wettbewerbs um die Kunden von großer Bedeutung. Bisher hatten Fernwärmegesellschaften nur wenige direkte Berührungspunkte mit Kunden. Mehr Daten über ihre Lebensbedingungen bieten nun bessere Servicemöglichkeiten und helfen den Unternehmen, ihre Kundenbeziehungen zu stärken. Ein Kunde in einem Altbau ist i. d. R. doppelt so wertvoll wie ein Kunde in einem neuen, energieeffizienteren Gebäude, sodass die Bindung bestehender Kunden für Fernwärmegesellschaften noch wichtiger ist als die Vorteile in der Produktion. Proaktive Energieunternehmen können ihren erreichbaren Markt mit dem Leanheat-System sogar verdoppeln. Automatische, durch Software generierte Warnmeldungen helfen bei der proaktiven Instandhaltung von Gebäuden, nicht nur in den Heizräumen, sondern auch in den Wohnungen (Bild 3). Energieunternehmen können so ihr Produktportfolio für den Energievertrieb durch Wartungsdienstleistungen erweitern. Dazu gehören beispielsweise das Ausbalancieren des Heizkreislaufs und eine Beratung in Fragen der Energieeffizienz. Auch wenn die Unternehmen diese Dienstleistungen nicht selbsterbringen wollen, stellen sie gegenüber Kunden ein Verkaufsargument dar.

 

Neue Märkte entstehen, wo digitale Systeme auf physische Realität treffen

Die Steuerung der physischen Wohnbedingungen ist ein wichtiger Wert, den Energieunternehmen ihren bestehenden Kunden mit dem Leanheat-System effizienter und umfassender bieten können, als dies bisher der Fall war. Die Zukunft ist bereits hier, und sie baut stark auf cyberphysischen Systemen auf. Digitalisierung schafft einen ganz neuen Markt für Energieunternehmen, da sie nun nicht nur mit den Vorsitzenden von Wohnungsunternehmen – ihre Kunden in zentral beheizten Gebäuden –, sondern auch mit jedem Bewohner in diesen Gebäuden persönlich in Kontakt treten können. So können herkömmliche B2B-Unternehmen eine völlig neue B2B2C-Identität entwickeln. Fortum Smart Living ist ein Beispiel für einen solchen neuen Ansatz. Es handelt sich um eine Benutzeroberfläche, die sowohl den Vorständen von Wohnungsunternehmen und deren Instandhaltungsbetrieben als auch direkt denjenigen Menschen dient, die unter den vom Energieunternehmen beeinflussten Bedingungen leben. Fortum Smart Living wird von Leanheats digitalem Heizungsregelungsservice betrieben, doch die Marke und das Kundenerlebnis stammen von Fortum selbst. Ähnliche Lösungen können zusammen mit allen Partnern, die digitale Dienste entwickeln, eingeführt werden. Im Wesentlichen ermöglicht das modulare System von Leanheat eine gemeinsame Entwicklung von Smart Home Services. Diese Softwaremodule, die für ein Energieunternehmen teuer zu entwickeln und zu warten sind, aber im Markt kaum einen Differenzierungsvorteil bringen, können als Service von Leanheat bezogen werden. Auf dem schnell wachsenden Smart Home-Markt stellen zuverlässige Partnerschaften mit hochmodernen Dienstleistern einen klaren Wettbewerbsvorteil dar.

 

Klimawandel stellt Immobilien- und Energiesektor vor Herausforderungen

In der EU machen Gebäude 40 % des gesamten Energieverbrauchs aus. Viele Städte, die sich im Bereich Klimaneutralität ehrgeizige Ziele setzen, zählen auf energieeffizientere Gebäude. Dadurch stehen Fernwärmeunternehmen unter Druck, in eine umweltschonendere Energieerzeugung zu investieren und die Energieeffizienz der Fernwärmenetze zu verbessern. Die Digitalisierung bietet eine kostengünstige Lösung für eine verbesserte Energieeffizienz in Gebäuden. Bauherren finden in Fernwärmeunternehmen den richtigen Partner für eine Zusammenarbeit, um ein gemeinsames Ziel zu erreichen. Leanheat bietet eine Geschäftsplattform für Energieversorger, die solche Tätigkeiten starten wollen. Es ist genauso wichtig, die konkreten Ergebnisse verschiedener Energieeffizienzinvestitionen auf Gebäudeebene zu messen – der Ausgangspunkt, warum Leanheat entwickelt wurde.

Die Spitzenlast von Gebäuden an den kältesten Tagen im Jahr ist einer der größten Treiber für die Nutzung fossiler Brennstoffe zur Wärmeerzeugung. Die Reduzierung der Spitzenlasten um 20 % hat einen erheblichen Einfluss auf die CO2-Emissionen. In der Heizsaison 2017/2018 konnte Leanheat mit 35.000 Wohnungen über 30 MW an Spitzenleistung einsparen.