Monitoring von Wärmenetzen: Von der Leitstelle zum digitalen Zwilling

Fernwärmeleitungen der Steag Iqony Group. (© Iqony)

Wärmenetze werden im Zuge der Wärmewende größer, komplexer und dynamischer. Mit neuen Einspeisern, sinkenden Temperaturniveaus und steigenden Anforderungen an Effizienz, Versorgungssicherheit und Transparenz wächst der Bedarf an einer präzisen Zustandsüberwachung. Klassische Leitwarten und Leckwarnsysteme bleiben dafür unverzichtbar, reichen aber vielerorts nicht mehr aus. Gefragt sind integrierte Monitoring-Konzepte, die Sensorik, Kommunikationsinfrastruktur, hydraulische Modelle und betriebliche Steuerung zusammenführen. Der Weg führt von der punktuellen Messwertüberwachung hin zu datenbasierten Plattformen und digitalen Zwillingen

Die klassische Überwachung bleibt die Basis

Die Überwachung von Wärmenetzen stützt sich traditionell auf Temperatur-, Druck- und Durchflussmessungen an zentralen Netzpunkten sowie auf Leckwarnsysteme in vorgedämmten Rohrsystemen. Diese Daten werden in der Leitwarte zusammengeführt, visualisiert und für die Betriebsführung genutzt. Hinzu kommen etablierte Verfahren der Isolations- und Schleifenmessung, die Feuchteeintrag und Leckagen in der Rohrdämmung anzeigen. In vielen Netzen bildet diese Kombination bis heute das Rückgrat des Betriebs.

Diese Systeme sind robust und im Netzbetrieb bewährt. Ihre Grenzen zeigen sich jedoch dort, wo schleichende Veränderungen, kleinräumige Leckagen oder hydraulische Fehlzustände möglichst früh erkannt werden sollen. Viele Bestandsnetze arbeiten noch mit heterogenen Messstrukturen und unterschiedlich ausgebauter Fernüberwachung. Dadurch entsteht häufig kein durchgängiges Bild des aktuellen Netzzustands.

Digitale Lecküberwachung im Betrieb: Sensorik und Monitoring- Systeme liefern Echtzeitdaten zu Temperatur, Feuchte und Leitungszustand – Grundlage für Predictive Maintenance und effiziente Wartung
© ISOPLUS

Aus Messpunkten werden Datenräume

Mit der zunehmenden Digitalisierung verändert sich die Rolle des Monitorings grundlegend. Sensoren liefern Betriebsdaten heute in dichterer zeitlicher Auflösung, Kommunikationsmodule übertragen sie automatisiert in Plattformen oder Leitsysteme, und Software wertet sie nicht nur aus, sondern setzt sie in Beziehung. So werden aus Einzelmesswerten belastbare Zustandsinformationen. Für Netzbetreiber liegt der Vorteil vor allem in der kontinuierlichen Erkennung von Trends – etwa bei Druckverlusten, Feuchteanstieg, Temperaturabweichungen oder veränderten Lastsituationen. Das verbessert die Grundlage für Wartung, Instandhaltung und betriebliche Eingriffe deutlich.

Nicht jeder Netzbetreiber beginnt dabei auf dem Niveau eines vollständig digitalisierten Wärmenetzes. Gerade für kleinere und mittlere Systeme zeigen Forschungsarbeiten, dass ein stufenweiser Einstieg sinnvoll ist. Im AGFW-Projekt Nemo wurde ein standardisiertes, kostengünstiges Verfahren für das energetische Monitoring von Fernwärmesystemen entwickelt, das unabhängig von der Größe des Systems anwendbar sein soll und als praxisnaher Einstieg in ein strukturiertes Minimalmonitoring dient. Damit rückt nicht nur High-End-Digitalisierung in den Fokus, sondern auch die Frage, wie eine belastbare Mindestdatenbasis wirtschaftlich aufgebaut werden kann.

Parallel dazu wird die Digitalisierung bereits im Rohrleitungsbau vorangetrieben. Mobile Dokumentationssysteme für Schweiß- und Muffenarbeiten, digitale Prüfprotokolle und zentral verfügbare Qualitätsdatenbanken schaffen eine durchgängige Datengrundlage über Planung, Bau und Betrieb hinweg. Unternehmen wie Isoplus arbeiten in diesem Zusammenhang an Lösungen, die Qualitätssicherung auf der Baustelle, Dokumentation und spätere Zustandsbewertung enger miteinander verbinden. Damit wachsen digitale Qualitätssicherung und betriebliches Monitoring zunehmend zusammen.

Ferngesteuerte Armaturen in einem smarten Fernwärmenetz
© 3S Consult

3SmartFW: Leckageortung ohne Kupfersensorik

Wie weit ein solcher integrierter Ansatz reichen kann, zeigt das Forschungsprojekt 3SmartFW, an dem unter anderem 3S Consult, das Fraunhofer IOSB und 3S Antriebe gemeinsam mit einem Netzbetreiber gearbeitet haben. Ziel war es, die Bausteine eines intelligenten Fernwärmenetzes so zu verbinden, dass Leckagen nicht erst nach deutlicher Durchfeuchtung der Dämmung erkannt, sondern aus laufenden Betriebsdaten möglichst früh detektiert und lokalisiert werden können. Der Ansatz kombiniert Online-Net-Monitoring, Smart Metering, fernsteuerbare Armaturen, eine digitale Plattform und ein hydraulisches Modell des Netzes.

Besonders relevant ist die Leckageortung über das sogenannte Dual-Model-Verfahren. Dabei werden reale Druckmessungen nicht isoliert betrachtet, sondern in ein hydraulisches Modell eingespeist. Im ersten Schritt lässt sich damit das Teilgebiet identifizieren, in dem die Leckage wahrscheinlich liegt. Im zweiten Schritt wird dieses Gebiet rechnerisch entlang der Leitungen „abgescannt“, um den wahrscheinlichsten Leckort näher einzugrenzen. Je dichter die Druckmessstellen angeordnet sind, desto höher ist die Ortungsgenauigkeit. Im Praxisversuch zeigte sich, dass bei entsprechend ausgebauter Messinfrastruktur eine räumliche Eingrenzung im Bereich von etwa 5 bis 10% der Trassenlänge möglich ist.

Darüber hinaus wurde im Projekt deutlich, dass sich Leckageerkennung mit fernsteuerbaren Armaturen und digitalen Bedienoberflächen zu einem operativen Havariekonzept verbinden lässt. Werden betroffene Netzsegmente schnell isoliert, lassen sich Wasserverluste begrenzen und Folgeschäden reduzieren. Monitoring wird damit nicht nur zum Instrument der Beobachtung, sondern zum Bestandteil aktiver Betriebsführung.

Der digitale Zwilling als nächste Stufe

Der digitale Zwilling ist die konsequente Weiterentwicklung dieser datenbasierten Überwachung. Er verbindet reale Messdaten mit einem hydraulisch-thermischen Netzmodell und bildet das tatsächliche Verhalten des Wärmenetzes laufend ab. So können nicht nur Leckagen oder Anomalien erkannt, sondern auch Laständerungen, Umschaltungen oder Eingriffe virtuell untersucht werden, bevor im realen Netz gehandelt wird. Dass Digitalisierung dabei zunehmend als strategischer Baustein der Wärmenetztransformation verstanden wird, zeigen auch die Arbeiten des Fraunhofer ISE zur Transformation und Digitalisierung von Wärmenetzen.

Für Betreiber größerer Netze und Verbundsysteme ist das besonders relevant, weil Wärmenetze künftig flexibler gefahren werden müssen: mit mehreren Erzeugern, Speichern, veränderlichen Einspeisungen und stärker schwankenden Lastprofilen. Unternehmen wie Iqony, die große Fernwärmeinfrastrukturen betreiben und parallel die Dekarbonisierung ihrer Wärmeerzeugung vorantreiben, verdeutlichen diese Entwicklung. Wo industrielle Abwärme, Speicher, unterschiedliche Erzeugungsarten und resiliente Netzstrukturen zusammenkommen, wächst der Bedarf an belastbaren Zustandsmodellen und vorausschauender Betriebsführung.

Hinzu kommt, dass datenbasierte Verfahren nicht nur der Störungserkennung dienen, sondern auch unmittelbar betriebliche Effizienzpotenziale erschließen können. Das Fraunhofer IEE berichtet für das Projekt ML4FW, dass durch eine KI-gestützte Optimierung von Reglerparametern eine Reduktion der Rücklauftemperaturen um 2 bis 3 K sowie eine signifikante Verringerung des Energieverbrauchs nachgewiesen wurde. Gerade für Fernwärmenetze ist das relevant, weil Rücklauftemperaturen einen direkten Einfluss auf Netzverluste, Erzeugungseffizienz und die Einbindung erneuerbarer Wärmequellen haben.

Der Ausbau der Nah- und Fernwärmenetze nimmt Fahrt auf, hier zu sehen ist die Verlegung eines flexiblen, vorisolierten CALPEX-PUR-KING-Rohrsystems von Brugg Pipes im Rohrgraben
© BRUGG

Digitalisierung beginnt nicht erst im Betrieb

Für Planer, Rohrsystemhersteller und Netzbetreiber ist entscheidend, dass die spätere Qualität des Monitorings stark von der Qualität der vorgelagerten Daten abhängt. Wenn Schweißparameter, Muffendokumentation, Materialdaten, GPS-Positionen und Prüfprotokolle digital erfasst und strukturiert abgelegt werden, verbessert das nicht nur die Rückverfolgbarkeit, sondern auch die spätere Instandhaltung und Modellgüte.

Zugleich rückt die Rohrsystemtechnik selbst stärker in den Fokus der Digitalisierung. Rohrsystemanbieter wie BRUGG stehen exemplarisch für flexible Systemlösungen, die sich besonders in verdichteten Räumen, bei Hausanschlüssen und in komplexen Trassenführungen bewähren. Mit solchen Systemen wächst auch die Bedeutung einer sauberen Einbindung von Material-, Verlege- und Betriebsdaten in digitale Planungs- und Monitoringumgebungen. Die Rohrleitung ist damit nicht mehr nur thermischer Transportweg, sondern Teil einer vernetzten Infrastruktur, in der Werkstoff, Sensorik, Kommunikationsanbindung und Software zusammenspielen. Die im District LAB des Fraunhofer IEE aufgebauten Test- und Validierungsumgebungen zeigen, wie stark sich dabei Komponentenentwicklung, Betriebsführung, Simulation und Qualitätsfragen inzwischen gegenseitig beeinflussen.

Herausforderungen und Ausblick

Trotz aller Fortschritte bleibt die Umsetzung anspruchsvoll. Die größten Hürden liegen häufig weniger in der Sensorik als in der Integration unterschiedlicher Datenquellen, proprietärer Systeme und uneinheitlicher Schnittstellen. Hinzu kommen Anforderungen an IT-Sicherheit, Datenverfügbarkeit und Modellqualität, insbesondere in Bestandsnetzen.

Die Richtung ist dennoch klar: Wärmenetze entwickeln sich von klassisch überwachten Infrastrukturen zu digital beschriebenen und zunehmend modellbasiert geführten Systemen. Für die Praxis im Rohrleitungsbau und in der Fernwärme bedeutet das, Monitoring nicht isoliert zu betrachten, sondern als durchgängige Aufgabe über den gesamten Lebenszyklus des Netzes hinweg. Projekte wie Nemo adressieren den wirtschaftlichen Einstieg über Minimalmonitoring, 3SmartFW zeigt die Kopplung von Leckageortung, Plattform und digitalem Zwilling, und Forschungsumgebungen wie das District LAB schaffen die Voraussetzungen, neue Komponenten und Betriebsstrategien unter praxisnahen Bedingungen zu validieren. Damit wird Monitoring vom Leitwarteninstrument zu einem zentralen Baustein der technischen und organisatorischen Transformation von Wärmenetzen.