Digitale Lösungen für die zukünftige Entwicklung von Kläranlagen

Im Rahmen des Ki:SeKoPo-Projekts wurde eine systematische Analyse von Kläranlagenprozessen durchgeführt, wobei der Fokus auf der Identifizierung ungenutzter Sektorkopplungspotenziale (z.B. Wärmepumpen für Fernwärme, H2-Elektrolyse mit CO2-Verwendung und O2-Bereitstellung) und der Entwicklung eines digitalen Zwillings lag. Digitale Zwillinge ermöglichen die Echtzeitüberwachung, Optimierung und Vorhersage von Betrieb und Prozessen in Kläranlagen, was zur Effizienzsteigerung und Ressourceneffizienz beiträgt. Im Projekt wurden relevante Problemstellungen durch Interviews mit Kläranlagenbetreibern ermittelt. Dadurch wurden Lösungsansätze für den Einsatz eines umfassenden Steuerungssystems wie des digitalen Zwillings aufgezeigt.
Mit der Fertigstellung des Projektes können konkrete Ergebnisse vorgestellt werden: Drei verschiedene Ausbaustufen auf dem Weg zum vollen digitalen Zwilling, nämlich Monitoring, Steuerung und Autonomisierung, wurden betrachtet. Um mögliche Kosten für die Stufen abschätzen zu können, wurden Monitoring Werte von AEE INTEC sowie Erfahrungswerte zu digitalen Zwillingen der TU Wien zu den Aspekten Personalaufwand, Software- sowie Hardware-Sachkosten und Reisekosten verglichen. Dabei sind bspw. bei der Steuerungsstufe die Personalkosten drastisch höher anzusetzen als beim Monitoring, da hier Modellierung zur Durchführung essenziell wird. Zusätzlich verlangen die höheren Ausbaustufen nach komplexerer Hardware (z.B. Serverlandschaft), um die anfallenden Daten und Aufgaben bearbeiten zu können.
Des Weiteren wurde die positive Wirkung des digitalen Zwillings durch eine Kosten-Nutzen-Matrix und die Diskussion von qualitativen Vorteilen wie Ausfallsicherheit und besseres Verständnis für komplexe Systeme dargestellt. In der untenstehenden Abbildung sieht man den Nutzen den jeweiligen Ausbaustufen (was in diesem Fall äquivalent mit steigenden Kosten gesehen werden kann) gegenübergestellt.

Daraus geht klar hervor, dass die „volle“ Ausbaustufe eines digitalen Zwillings zwar erhebliche Kosten aber auch sehr große Vorteile mit sich bringt. Ein Beispiel stellt wie bereits erwähnt eine verbesserte Ausfallsicherheit von Anlagen dar, da frühzeitig Anomalien erkannt oder Teile präventiv ausgetauscht werden können. Zusätzlich ist das Verständnis des komplexen Systems höher, dadurch liegt eine exaktere und zukunftsfeste Entscheidungsgrundlage vor und es können Prozesse optimiert bzw. Investitionen zielsicherer getätigt werden. Zuletzt darf auch die Hilfe des digitalen Zwillings in der effizienten Umsetzung der Sektorkopplung nicht unerwähnt bleiben, was Kläranlagenbetreiber*innen neue Geschäftsfelder  eröffnet wie zum Beispiel als Wärmelieferant oder als Standort für Wasserstofferzeugung und damit zusätzlich die Akzeptanz für digitale Zwilling erhöht.

Das Ki:SeKoPo-Projekt stellt somit einen bedeutenden Schritt in Richtung der Nutzung von digitalen Zwillingen in der Entwicklung von Kläranlagen als Energie- und Ressourcendrehscheiben dar.
Die gesammelten Erkenntnisse werden in einem publizierbaren Endbericht festgehalten.
Der Fördergeber wird diesen Endbericht unter folgendem Link veröffentlichen:
https://projekte.ffg.at/projekt/4176702

Projektkoordination:
TU Wien – Institut für Energietechnik und Thermodynamik

Projektpartner:
AEE INTEC

Projektauftraggeber:
Österreichische Forschungsförderungsgesellschaft mbH (FFG) Energieforschung (e!MISSION)
Klima- und Energiefonds

Kontakt:
Wolfgang Gruber-Glatzl