SI/502475

Schlussbericht

Internationales Projekt RECOIN Dieses internationale Projekt konzentriert sich auf die Verbesserung der Leistung von geothermischen Systemen durch die Entwicklung und Anwendung fortschrittlicher Überwachungs-, Modellierungs- und Regelmethoden. Es werden Echtzeitdaten und maschinelles Lernen genutzt, um die Energieeffizienz zu optimieren und die Umweltauswirkungen zu reduzieren. Ein einzigartiges EWS-Feld in Lausen (Mehrfamilienhaus mit 6 Parteien), Schweiz, wird als Grundlage für die Untersuchung und den Vergleich verschiedener Leistungsüberwachungsmethoden genutzt. Dieses Feld verfügt über mehrere Jahre Messdaten, die bisher nicht in Modellen reproduziert wurden. Um eine detaillierte thermische Profilierung des geothermischen Systems zu erstellen, werden Sensoren an wichtigen Punkten installiert. Ein halbanalytisches Modellierungstool wird entwickelt, das verschiedene hochmoderne Verfahren zur Boreholeheatexchanger(BHE) - Feldsimulation kombiniert und auch Echtzeit-Modellaktualisierungen ermöglicht. Das vollständig trainierte Modell wird zur Vorhersage der Langzeitleistung des BHE-Feldes verwendet und dient dazu, den Wert verschiedener Datenquellen und Messauflösungen zu bewerten. Es wird auch eine datenbasierte Routine entwickelt, die für die Anwendung in einem nichtlinearen Model Predictive Control (MPC)-System geeignet ist. Als Innovation wird ein datenbasierter Emulator entwickelt, der maschinelles Lernen verwendet, um den "Modell"-Teil der MPC-Einheit zu repräsentieren. Dies macht das System effizienter und robuster. Durch computerbasierte Simulationen werden Regelziele und -beschränkungen identifiziert, wobei sowohl kurzfristige als auch langfristige Leistungsschwankungen berücksichtigt werden. Ein Ziel besteht darin, den Primärenergieverbrauch zu minimieren, was gleichzeitig als Maßstab für die Reduzierung von CO2-Emissionen und Gesamtkosteneinsparungen dient. Schließlich wird ein innovatives Regelgerät entwickelt, das mit dem emulatorbasierten Steueralgorithmus ausgestattet ist und beim Projekstandort Lausen getestet wird. Das Konzept soll auch an BHE-Feldern in Stockholm Schweden (6 BHE’s) und Frankfurt Deutschland (54 BHE’s) demonstriert werden. Schweizer Teilprojekt In diesem Schlussbericht werden die Arbeiten am Projektstandort Lausen zusammengefasst. Diese fokussieren sich auf die Erstellung und Installation eines Monitoring- und Regelsystems. Die Entwicklung der regelungstechnischen Strategien werden durch die Projektpartner in Deutschland und Schweden durchgeführt. Diese Aufgaben sind nicht Teil dieses Berichtes. Das Monitoringsystem wurde im Sommer 2023 installiert und erfasst über 1000 Datenpunkte mit einer Abtastrate von 30 Sekunden. Die Datenpunkte werden in einer zentralen Datenbank gespeichert und dienen dem internationalen Projektteam als Grundlage für die Modell- und Reglerentwicklung. Seit der Inbetriebnahme des Monitoringsystems wurde die Software kontinuierlich verbessert und auf die zukünftigen Bedürfnisse des Reglers angepasst. Die Daten werden in einer standortübergreifenden Datenbank der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg gesammelt. Neben Softwareverbesserungen wurden auch Verbesserungen an der Sensorik durchgeführt. Aufgrund unterschiedlichen nationalen Rahmenbindungen innerhalb des internationalen Projektes RECOIN wurde entschieden, das Schweizer Projekt 2025 abzuschliessen. Da zum Datum des Projektabschlusses keine MPC-Regelung vorlag, wurde eine vereinfachte Optimierungsstrategie entwickelt und demonstriert. Die umgesetzte Optimierungsstrategie sieht vor, diejenigen Erdwärmetauscher mit der geringsten Leistung aus dem Gesamtsystem auszukoppeln und das System zeitweilig mit einer reduzierten Anzahl an BHE’s zu betreiben.Durch die gezielte natürliche Regeneration der geschlossenen Sonde wird das thermische Niveau des Systems gehoben, was eine besseren COP der Wärmepumpe zur Folge hat. Im Sommer 2025 wurde die Optimierung beim Testobjekt in Lausen installiert. Diese steuert den Durchfluss der 3 BHE’s. Nach einigen Monaten mit aktiver Optimierung konnten deren Funktion erfolgreich demonstriert werden. Aufgrund von limitierenden Eigenschaften des Testobjektes Lausen steht eine abschliessende Beurteilung der Effektivität der Optimierung aus. So wurde festgestellt, dass das BHE System beim Testobjekt bereits ohne Optimierung in der Heizsaison am Leistungslimit betrieben läuft. Nichtsdestotrotz wurde die Machbarkeit einer solchen Optimierung erfolgreich demonstriert. Ausblick Mit den Erkenntnissen aus dem vereinfachten Optimierungsansatz des Schweizer Teams, verfolgt das Internationale Projekt RECOIN weiterhin einen modellbasierten Ansatz. Hierbei hat das deutsche Team ein Python-basiertes Daten- und Analyseframework aufgebaut. Mittels neuronaler Netze werden kurzfristige Temperaturvorhersagen erzeugt. Zudem wird das semi-analytische Modell BoreholeNetworkSimulator.jl der KTH für Langzeitsimualtionen genutzt. Die daraus resultierende Optimierung wird an den Teststandorten Stockholm und Frankfurt demonstriert. Der Projektfortschritt des Internationalen Geothermica Projektes RECOIN können über die Projekt Website (https://recoin.geo.uni-halle.de/) abgerufen werden.