Die Energiewirtschaft steht vor großen Herausforderungen: Versorgungssicherheit, Klimaneutralität und Effizienz müssen gleichzeitig erreicht werden. Auf der E-world Energy and Water 2026, zeigte das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM, wie digitale Technologien und mathematische Modelle diese Transformation beschleunigen. Mit Digitalen Zwillingen schaffen die Forschenden die Grundlage für präzise Analysen, zuverlässige Prognosen und intelligente Regelungen – und damit für eine flexible, nachhaltige und sichere Energieversorgung.
Digitale Zwillinge sind virtuelle Abbilder realer Systeme, die es ermöglichen, komplexe Prozesse zu simulieren, zu überwachen und zu optimieren. Das Fraunhofer ITWM nutzt diese Technologie, um Energieerzeugung, -transport und -verbrauch effizienter und robuster zu gestalten. So spielen die Wissenschaftler Szenarien durch, minimieren Risiken und treiben die Integration erneuerbarer Energien voran.
Flexible Strommärkte und Risikomanagement für die Energiewende
Der Ausbau erneuerbarer Energien verändert die Preisbildung an Strommärkten und beeinflusst die Prognose von Lastprofilen erheblich. Für eine stabile Versorgung und einen resilienten Energiemarkt ist es entscheidend, diese Mechanismen bei der Bewertung von Anlagen und Verträgen sowie im Risikomanagement zu berücksichtigen. Neben dem Ausbau von Speichertechnologien spielt die Flexibilität auf der Nachfrageseite eine zentrale Rolle. Dynamische Stromtarife und flexible Verträge schaffen ökonomische Anreize für Verbraucher und tragen zur Integration erneuerbarer Energien bei.
Das Fraunhofer ITWM entwickelt hierfür Werkzeuge, die Versorger und Stadtwerke bei der Bewertung und Absicherung von Portfolios unterstützen. «Unsere Modelle berücksichtigen, wie das Wetter die Produktion erneuerbarer Energien beeinflusst – und welche Risiken sich daraus ergeben. In unsere Lastprognosen fliessen deshalb Faktoren wie Sonneneinstrahlung, Temperatur, Eigenproduktion durch Photovoltaik, Wärmepumpen, Batterien und E-Mobilität ein. So legen wir die Basis für ein Risikomanagement, das funktioniert, und für einen Energiemarkt, der nachhaltig gestaltet ist,» erklärt Jörg Wenzel, der das Projekt am Fraunhofer ITWM betreut.
Fernwärme im Fokus: «AD Net Heat» für intelligente Netze
Ein Schwerpunkt des Messeauftritts ist die Softwarelösung «AD Net Heat», die Fernwärmenetze dynamisch simuliert und in Echtzeit optimiert. «Mit einem Digitalen Zwilling des Netzes können Versorgungsunternehmen die Temperatur- und Strömungsverhältnisse im aktuell vorhandenen Wärmenetz sowie zukünftigen Ausbaustufen überprüfen und den Betrieb stets effizient steuern – selbst unter komplexen Bedingungen wie dezentraler Einspeisung,» so Johanna Heidrich, Expertin für die Software am Fraunhofer ITWM. Die Software kombiniert thermo-hydraulische Netzsimulation mit mathematischer Optimierung und ermöglicht so Lastspitzen abzufangen, Einspeisetemperaturen optimal abzusenken und Netzausbau-Szenarien inklusive erneuerbarer Wärmeerzeuger zu planen.
Heizen mit KI: Effizienzsteigerung in Wärmeerzeugungsanlagen
Mit KI-gestützten Technologien und Digitalen Zwillingen optimieren die Forschenden den Betrieb von Heizkraftwerken und Nahwärmenetzen. Die Lösungen des Fraunhofer ITWM ermöglichen eine vorausschauende Planung des Energiebedarfs, die intelligente Steuerung von Anlagen und die Reduktion von Primärenergie – insbesondere Gas. An einer Vielzahl von Heizanlagen konnten die Forschenden mit Energieversorgern wie RheinEnergie zeigen, wie sich durch datenbasierte Regelung und Automatisierung erhebliche Energieeinsparungen und CO2-Reduktionen erzielen lassen.
«RAPIDZ»: Digitale Zwillinge für die Produktion
Mit der Modellierungsplattform «RAPIDZ – Ressourcenanalyse und Prozessintegration durch Digitale Zwillinge» bringt das Fraunhofer ITWM die Vorteile Digitaler Zwillinge direkt in die industrielle Produktion. «Mit unserer Plattform können Unternehmen ihren Energieverbrauch, Emissionen und Betriebsdaten in Echtzeit erfassen und analysieren. Das bedeutet: Prozesse lassen sich gezielt steuern, Ressourcen werden geschont und die Produktionsqualität steigt deutlich,» so Christian Salzig vom Fraunhofer ITWM. RAPIDZ ist ein zentraler Baustein für Smart Manufacturing, da es die umfassende Digitalisierung mit intelligenter Prozessoptimierung verbindet und damit direkte Mehrwerte für die Industrie schafft.
Leistungselektronik und Netzstabilität: Torsionsmonitoring für Synchrongeneratoren
Die Forschenden am Fraunhofer ITWM erfassen und analysieren, wie leistungselektronische Betriebsmittel Synchrongeneratoren beeinflussen. In elektrischen Netzen treten zunehmend Frequenzanregungen auf, die niederfrequente Torsionsschwingungen an Wellensträngen verursachen können. Solche Schwingungen führen zu erhöhten mechanischen Belastungen in rotierenden Maschinen, zu Kopplungseffekten zwischen Netz- und Anlagendynamiken und bergen das Risiko von Stabilitätsproblemen im Gesamtsystem.
Mit dem wachsenden Anteil leistungselektronischer Komponenten, der Einführung netzbildender Regelungen und dem geplanten Ausbau moderner Gaskraftwerke mit schnell regelbaren Turbinen und Generatoren ist zu erwarten, dass diese Phänomene künftig weiter zunehmen. Erste Messungen mit den Torsionsmonitoringsystemen des Fraunhofer ITWM in realen Netzen zeigen bereits heute deutliche Anzeichen solcher Wechselwirkungen auf verschiedenen Spannungsebenen.
Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM
Das Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern zählt zu den grössten Forschungsinstituten für angewandte Mathematik weltweit. Seine Aufgabe besteht darin, die Mathematik als Schlüsseltechnologie weiterzuentwickeln und innovative Anstösse zu geben. Der Fokus liegt auf der Umsetzung mathematischer Methoden und Technologie in Anwendungsprojekten und ihre Weiterentwicklung in Forschungsprojekten. Als weiterer Forschungsschwerpunkt hat sich die optische Messtechnik mit Fokus auf Schichtdickenmessung und zerstörungsfreie Prüfung etabliert. Das enge Zusammenspiel mit Partnern aus der Wirtschaft garantiert eine hohe Praxisnähe seiner Arbeit. www.itwm.fraunhofer.de
