Intelligente Kälteerzeugung: Ein Beispiel für angewandte KI und digitale Zwillinge bei den Stadtwerken Karlsruhe

Stadtwerke Karlsruhe: Intelligente Systeme für urbane Kälteversorgung

Die Notwendigkeit, Energie effizienter zu nutzen, gewinnt in Zeiten des Klimawandels und steigender Energiekosten immer stärker an Bedeutung. Dies gilt nicht nur für Heizung und Stromversorgung, sondern auch für den Bereich der Kälteerzeugung, der insbesondere in modernen, dicht bebauten Stadtgebieten und für spezialisierte Anwendungen wie Rechenzentren oder medizinische Einrichtungen unverzichtbar ist. Städtische Energieversorger, wie die Stadtwerke Karlsruhe, stehen hier in einer besonderen Verantwortung. Sie müssen nicht nur die Versorgungssicherheit gewährleisten, sondern auch innovative Wege finden, um Betriebskosten zu senken und gleichzeitig einen Beitrag zur Nachhaltigkeit zu leisten. Ein beeindruckendes Beispiel dafür, wie dies gelingen kann, ist die Optimierung der Kälteerzeugung für das GartenCarée-Areal in Karlsruhe mithilfe fortschrittlicher digitaler Technologien.

Die Stadtwerke Karlsruhe versorgen als kommunales Unternehmen mit rund 1.100 Mitarbeitenden weit über 400.000 Menschen in der Region zuverlässig mit essenziellen Energieformen wie Strom, Erdgas, Fernwärme und Trinkwasser. Ein Teil dieses breiten Aufgabenspektrums umfasst auch den Betrieb und die Wartung von komplexen Energiesystemen für große Immobilienkomplexe, wie beispielsweise die Kälteversorgungsanlage für das GartenCarée. Dieses Areal ist ein multifunktionaler Gebäudekomplex, der eine Mischung aus Wohnungen, Büroflächen, Arztpraxen, einer Ladenzeile, Gastronomiebetrieben und einem kritischen Rechenzentrum beherbergt. Eine unterbrechungsfreie und bedarfsgerechte Kälteversorgung ist für den reibungslosen Betrieb aller Einheiten von entscheidender Bedeutung.

Die bestehende Kälteanlage des GartenCarées ist dabei keineswegs simpel aufgebaut. Sie kombiniert unterschiedliche Technologien, um eine möglichst flexible und potenziell energieeffiziente Versorgung zu ermöglichen. Herzstück sind drei Absorptionskältemaschinen, die den Vorteil bieten, dass sie nicht mit teurem Strom, sondern mit umweltfreundlicher Fernwärme oder sogar Prozessabwärme aus einer nahegelegenen Raffinerie betrieben werden können. Ergänzt wird dieses System durch eine konventionelle Kompressions-Kältemaschine mit zwei Verdichtern, die bei hohem Kältebedarf oder spezifischen Betriebsbedingungen zum Einsatz kommt, sowie ein Rückkühlwerk, das die überschüssige Wärme an die Umgebung abgibt.

Trotz der prinzipiellen Möglichkeit, durch die Kombination verschiedener Erzeuger flexibel auf den Kältebedarf und die Außentemperaturen zu reagieren, standen die Stadtwerke Karlsruhe vor einer gängigen Herausforderung: Es mangelte an detaillierter Transparenz über den tatsächlichen Energieverbrauch der Gesamtanlage und das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten. Vor der Einführung einer intelligenten Lösung beschränkte sich die Einsicht in die Effizienz im Wesentlichen auf die Jahresbilanz. Man konnte zwar am Ende des Jahres feststellen, wie viele Megawattstunden Kälte produziert wurden und wie viel Strom und Fernwärme dafür insgesamt aufgewendet wurden. Eine detaillierte Analyse, welche Komponente zu welchem Zeitpunkt wie viel Energie verbrauchte und ob dies im optimalen Verhältnis zur erzeugten Kälte stand, war jedoch nicht möglich. Dieser Zustand wurde von den Verantwortlichen bei den Stadtwerken treffend als eine Art “Blindflug” beschrieben, da das Potenzial für gezielte Optimierungen weitgehend im Verborgenen blieb.

Projektziel: Mehr Transparenz und signifikante Effizienzsteigerung

Das klare Ziel der Stadtwerke Karlsruhe war es daher, diesen Zustand der Intransparenz zu beenden. Sie wollten nicht nur Einsparpotenziale identifizieren, sondern diese auch aktiv und automatisiert realisieren. Die Lösung fand sich in der Implementierung eines automatisierten Energie-Systemmanagements. Dieses System, entwickelt von dem Spezialisten Factor4Solutions, basiert auf einer KI-gestützten Software und nutzt das Konzept des digitalen Zwillings. Die Einführung dieses Systems ermöglichte eine grundlegend neue Art der Steuerung der Kälteanlage sowie ein hochdetailliertes Energie-Controlling.

Durch die Installation der Software und der notwendigen Sensorik wurden erstmals sämtliche Energieflüsse innerhalb der Kälteanlage im Detail sichtbar und messbar. Parameter wie der Volumenstrom des Kalt- und Kühlwassers, die Temperaturen an verschiedenen Punkten im System sowie der exakte Energieverbrauch (Strom und Fernwärme) jeder einzelnen Komponente – von den Absorbern über die Kompressoren und Pumpen bis hin zum Rückkühlwerk – werden nun in Echtzeit erfasst und ausgewertet. Diese umfassende Datengrundlage ist der Schlüssel zur Optimierung. Die Software kann nun kontinuierlich analysieren, welche Betriebszustände am wirtschaftlichsten sind. Ein einfaches, aber wirkungsvolles Beispiel für ein solches Optimierungspotenzial, das durch die transparente Datenerfassung aufgedeckt wird, ist die Steuerung von Pumpen. Oft laufen Pumpen in Kälteanlagen unabhängig vom tatsächlichen Bedarf mit 100 Prozent Volumenstrom. Die detaillierte Analyse zeigt jedoch, dass je nach erforderlicher Kälteleistung und Systemzustand häufig auch 60 Prozent oder sogar weniger ausreichen würden. Das manuelle oder pauschale Betreiben solcher Aggregate führt zu einem erheblichen, unnötigen Stromverbrauch.

Ein häufig übersehenes Problem in Kälteanlagen, das erst durch eine detaillierte Analyse sichtbar wird, ist der Stromverbrauch der sogenannten Hilfsaggregate. Pumpen, Ventilatoren im Rückkühlwerk oder andere Nebenaggregate können unter Umständen einen ähnlichen oder sogar höheren Stromverbrauch aufweisen als die eigentlichen Kälteerzeuger, insbesondere wenn diese nicht optimal gesteuert werden. Die Optimierung beschränkt sich in vielen Anlagen zudem auf die einzelne Komponente oder auf einen idealisierten Betriebszustand, der in der Realität nur selten erreicht wird – typischerweise in weniger als drei Prozent aller Betriebsstunden. Dies führt dazu, dass während der überwiegenden Betriebszeit erhebliche Mengen an Elektroenergie verschwendet werden. Die gezielte Verbesserung des Zusammenspiels aller Komponenten eines Systems ist genau das Spezialgebiet der implementierten Lösung.

Nach sechs Monaten: Greifbare Erfolge und hohes Potenzial

Die intelligente Software von Factor4Solutions verfolgt einen ganzheitlichen Ansatz. Sie betrachtet nicht jede Komponente isoliert, sondern das gesamte Kältesystem als dynamische Einheit. Dabei werden die energetischen Betriebsaufwendungen aller relevanten Aggregate – Kälteerzeuger, Pumpen, Ventilatoren etc. – gemeinsam bewertet. Dies wird durch den Einsatz digitaler Zwillinge der einzelnen Komponenten und des gesamten Systems ermöglicht. Ein digitaler Zwilling ist im Grunde ein virtuelles, hochpräzises Modell, das das reale System in Echtzeit spiegelt. Dieses Modell erlaubt es der KI, verschiedene Betriebsszenarien durchzurechnen und kontinuierlich zu ermitteln, wie die einzelnen Komponenten ideal zusammenarbeiten müssen, um die maximale Systemeffizienz zu erzielen.

Die Steuerung der Anlage erfolgt dadurch nicht mehr nach starren, vordefinierten Schemata (z. B. eine bestimmte Maschine läuft immer als Grundlast, eine andere als Spitzenlast), sondern dynamisch und bedarfsorientiert. Die Auswahl und Regelung der Aggregate erfolgt nun auf Basis der aktuellen Witterungsbedingungen (Außentemperatur), des tatsächlichen Kältebedarfs und der ermittelten Effizienz. Über standardisierte Kommunikationsprotokolle gibt das intelligente Systemmanagement die einzelnen Kälteerzeuger und Hilfsaggregate gezielt frei und regelt deren Leistung. Das Ergebnis ist ein Betrieb, der in jeder denkbaren Lastsituation und unter allen Umweltbedingungen den höchstmöglichen Wirkungsgrad auf Systemebene erreicht.

Die Wirksamkeit dieses Ansatzes zeigte sich bei den Stadtwerken Karlsruhe bereits kurz nach Abschluss der Testphase und der vollständigen Inbetriebnahme des Systems. Schon innerhalb der ersten sechs Monate nach der Umstellung auf die intelligente Steuerung konnten die Stadtwerke eine signifikante Reduzierung des elektrischen Jahresenergieverbrauchs verzeichnen – eine Einsparung von über 20 Prozent im Vergleich zum Vorjahreszeitraum. Dieser Effizienzgewinn schlägt sich direkt in den Betriebskosten nieder und führte bereits innerhalb dieses halben Jahres zu einer finanziellen Ersparnis im fünfstelligen Bereich.

Doch dies ist nach Einschätzung der Experten erst der Anfang. Die ersten sechs Monate des Betriebs unter der neuen Steuerung umfassten auch noch Perioden, in denen die Anlage teilweise oder vollständig nach der alten, konventionellen Regelung lief. Das volle Potenzial der intelligenten Lösung entfaltet sich über einen kompletten Jahreszyklus, da die optimale Fahrweise der verschiedenen Kälteerzeuger (Absorber, Kompression, freie Kühlung) stark von der Jahreszeit, der Außentemperatur und dem spezifischen Kältebedarf abhängt. Die Berechnungen von Factor4Solutions, basierend auf den ersten Betriebsdaten und Simulationen mit dem digitalen Zwilling, prognostizieren eine mögliche Energieeinsparung von über 40 Prozent über ein gesamtes Betriebsjahr betrachtet. Dieses ambitionierte Ziel ist nun fest im Visier der Stadtwerke Karlsruhe.

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100 Prozent Betriebssicherheit durch intelligente Überwachung

Neben der reinen Energieeffizienz und Kostenreduktion ist für einen Versorger wie die Stadtwerke Karlsruhe die Betriebssicherheit der Anlage von allergrößter Bedeutung. Insbesondere bei der Versorgung eines Rechenzentrums, wo selbst kurzzeitige Ausfälle gravierende Folgen haben können, ist die kontinuierliche Verfügbarkeit der Kälte zwingend vorgeschrieben. Die intelligente Lösung bietet hier einen weiteren entscheidenden Vorteil: Die Anlage wird nicht nur einmalig eingerichtet und dann selbst verwaltet, sondern vom Anbieter Factor4Solutions permanent aus der Ferne überwacht, geprüft und optimiert.

Zwar verfügen auch die Stadtwerke über eigene Überwachungssysteme und qualifiziertes Personal, doch die zusätzliche, spezialisierte Betreuung durch das Expertenteam von Factor4Solutions mit ihrem tiefgreifenden Know-how im Bereich Kältetechnik und KI-gestützter Anlagenoptimierung stellt eine wertvolle Ergänzung dar. Durch die permanente Fernüberwachung mittels KI kann das System Anomalien oder potenzielle Probleme oft erkennen, bevor sie zu einer Störung führen. Dank des digitalen Zwillings und dem Echtzeit-Abgleich der aktuellen Betriebsdaten mit dem Idealzustand des Modells ist es möglich, Abweichungen frühzeitig zu identifizieren und die Kunden proaktiv über drohende Ausfälle oder notwendige Wartungsmaßnahmen zu informieren. Dies ermöglicht eine prädiktive Wartung und vermeidet ungeplante Stillstände. Die Gewährleistung der Betriebsfähigkeit zu jeder Zeit ist für die Stadtwerke Karlsruhe von fundamentaler Wichtigkeit, nicht zuletzt wegen der vertraglichen Verpflichtung zur Kältelieferung, insbesondere an das sensible Rechenzentrum im GartenCarée.

Einführung und Integration der Lösung

Die Einführung und Implementierung der intelligenten Lösung gestaltete sich aus Sicht der Stadtwerke reibungslos und unkompliziert. Die Zusammenarbeit mit dem externen Dienstleister, der bereits die Mess- und Regeltechnik der Stadtwerke betreut, war dabei essenziell.

Gemeinsam wurden die für den Setup der Software benötigten Datenpunkte identifiziert und freigegeben. Factor4Solutions, das die Lösung von seinem Standort in Berlin aus remote steuert, hatte im Vorfeld klar kommuniziert, welche spezifischen Datenpunkte aus dem Leitsystem der Anlage benötigt wurden. Dazu gehörten beispielsweise Volumenströme, Temperaturen und die genauen Werte der Wärme- und Kältemengenzähler.

Nach der Bereitstellung dieser Daten erfolgte die Konfiguration der Software sehr schnell. Innerhalb eines Tages war das System grundlegend eingestellt und konnte mit der Datenerfassung und ersten Analysen beginnen. Nach nur vier bis sechs Wochen lag eine erste umfassende Analyse der Anlagendaten vor. Basierend auf den aus dieser Analyse gewonnenen Erkenntnissen konnte das System weiter feinjustiert werden. Es zeigte sich beispielsweise, welche zusätzlichen Datenpunkte für eine noch präzisere Optimierung hilfreich wären, und das System wurde entsprechend erweitert und kalibriert.

Diese relativ einfache und schnelle Integration macht die Technologie grundsätzlich für eine Vielzahl von Anwendungen und Branchen interessant, überall dort, wo komplexe Kühlsysteme im Einsatz sind und deren Effizienz gesteigert werden soll.

Schnelle Amortisation als starkes Argument für den Ausbau der Zusammenarbeit

Die positiven Effekte der intelligenten Kälteoptimierung zeigten sich für die Stadtwerke Karlsruhe sehr schnell und überzeugend. Der Blick auf den Jahresenergieverbrauch und die Kälteerzeugung im Vergleich zum Vorjahr, auch wenn die neue Steuerung erst sechs Monate im vollen Umfang wirkte, zeigte eine bereits deutliche Effizienzsteigerung und messbare Energieeinsparung.

Besonders erfreulich ist dabei die wirtschaftliche Betrachtung: Die Amortisationszeit des Systems ist bemerkenswert kurz. Die jährlichen Kosten, die für die Nutzung der Software und die fortlaufende Betreuung durch die Kältetechnik-Spezialisten von Factor4Solutions anfallen, werden durch die erzielten Energieeinsparungen bereits innerhalb der ersten fünf Betriebsmonate wieder ausgeglichen. Dies bedeutet, dass die Anlage ab dem sechsten Monat des Jahres unter dem Strich bereits Kosteneinsparungen generiert, die über die Systemkosten hinausgehen. Dieser schnelle Return on Investment (ROI) ist ein starkes Argument für die Implementierung solcher Technologien.

Angesichts der positiven Erfahrungen und der nachgewiesenen Effizienzsteigerung ist es nicht verwunderlich, dass die Stadtwerke Karlsruhe eine Ausweitung der Zusammenarbeit mit Factor4Solutions nicht nur in Betracht ziehen, sondern bereits umsetzen. Ein weiteres Kälteversorgungssystem der Stadtwerke wird mittlerweile ebenfalls von dem intelligenten System betreut und optimiert. Zudem betreiben die Stadtwerke noch eine Reihe weiterer Kälteanlagen unterschiedlicher Größe und Komplexität, die potenziell für eine Optimierung durch die KI-Lösung in Frage kommen. Da sich die Technologie als flexibel und in nahezu alle gängigen Kältesysteme integrierbar erwiesen hat, stehen die Chancen gut, dass auch bei diesen Anlagen signifikante Analysen, Transparenzgewinne und weitere Einsparpotenziale durch den Einsatz von KI und digitalen Zwillingen realisiert werden können.

Das Projekt im GartenCarée in Karlsruhe ist ein erfolgreiches Beispiel dafür, wie moderne digitale Technologien – insbesondere Künstliche Intelligenz und digitale Zwillinge – die Energieeffizienz in einem traditionell energieintensiven Bereich wie der Kälteerzeugung revolutionieren können. Durch die Umwandlung von Betriebsanlagen in transparente, intelligent gesteuerte Systeme können Energieversorger nicht nur erhebliche Betriebskosten einsparen, sondern auch die Betriebssicherheit erhöhen und einen wichtigen Beitrag zur Reduktion des Energieverbrauchs und damit zum Klimaschutz leisten. Der Erfolg bei den Stadtwerken Karlsruhe zeigt, dass Investitionen in smarte, datengestützte Optimierungssysteme sich schnell rechnen und den Weg für eine nachhaltigere und effizientere Energieversorgung ebnen. Die anfänglich beeindruckenden Einsparungen von über 20 Prozent und das prognostizierte Potenzial von über 40 Prozent unterstreichen das enorme Potenzial, das in der intelligenten Steuerung und Vernetzung von Energiesystemen liegt.

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Konrad Wolfenstein

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