Digitale Zwillinge für die Infrastruktur Mit 7 Konzepten in eine nachhaltige Zukunft

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Nicht nur, dass digitale Zwillinge die Umsetzung grüner Investitionen beschleunigen, sie erschließen auch Effizienzgewinne bei neuen und bestehenden Infrastrukturanlagen. Und durch die Verlängerung der Lebenszyklen verschiedener Anlagen fördern sie auch die Kreislaufwirtschaft.

Im Folgenden werden sieben wichtige Möglichkeiten aufgezeigt, wie digitale Zwillinge Unternehmen helfen können, im gesamten Lebenszyklus der Infrastruktur nachhaltigere Entscheidungen zu treffen. Auch wenn diese Liste keineswegs vollständig ist, so bietet sie doch einen Einblick in die Möglichkeiten, die digitale Zwillinge bei der Schaffung einer ökologischen, nachhaltigen Infrastruktur bieten, die den Herausforderungen des Klimawandels begegnet und gesunde, wachsende Gemeinschaften unterstützt.

1. Optimierung der grauen CO2-Emissionen

Bereits in den frühen Entwurfsphasen sollten Infrastrukturplaner in der Lage sein, Nachhaltigkeit und Verringerung der Auswirkungen auf die Umwelt zu priorisieren. Die grauen CO2-Emissionen bei Bau und Materialtransport bilden einen wichtigen Schwerpunkt, nicht nur, weil sie sich nach dem Bau der nicht mehr vermeiden oder reduzieren lassen, sondern auch, weil viele der verwendeten Produkte und Materialien (zum Beispiel Stahl oder Zement) sehr kohlenstoffintensiv und schwer zu ersetzen sind.

Digitale Zwillinge können automatisierte Arbeitsabläufe mit Werkzeugen zur CO2-Berechnung integrieren. So lassen sich Berichte zur Kohlenstoffbilanz erstellen und diese Berechnungen in digitalen 3D-Modellen zu visualisieren. Das unterstützt die Optimierung des Entwurfs auf der Grundlage der Kohlenstoffintensität. Um für mehr Transparenz zu sorgen, was den CO2-Ausstoß in der gesamten Lieferkette betrifft, sollten die in der Entwurfsphase erstellten digitalen Infrastrukturmodelle idealerweise nicht in einem bestimmten proprietären Format vorliegen. Vielmehr sollte eine herstellerunabhängigen Plattform für digitale Zwillinge zum Einsatz kommen, unabhängig von deren Herkunft oder Anbieter.

2. Entwurf einer umweltverträglichen Infrastruktur

Der Klimawandel macht es notwendig, Infrastrukturen widerstandsfähiger gegenüber Wetterextremen zu entwerfen. Die Anwendung von struktureller Finite-Elemente-Analyse kann den umweltverträglichen Entwurf von Gebäuden, Brücken, Tunneln, Masten und Industrieanlagen unterstützen. Besonders wichtig ist dies für Offshore-Windparks, die für extreme Windgeschwindigkeiten und Turbulenzen ausgelegt sein müssen, um das Risiko von Turbinenschäden und Ausfallzeiten zu verringern.

Softwarelösungen für Statik und Tragwerksplanung können dazu beitragen, die Infrastruktur von Offshore-Windkraftanlagen (zum Beispiel Turbinen und ihre Fundamente) robuster gegen starken Wind und Extrembelastungen zu entwickeln und sinnvolle Kontrollstrategien zu implementieren, um extremen Wetterereignissen zu begegnen (zum Beispiel Rotorblattverstellung, Windrichtungsnachführung und Lastkontrollen). Diese Lösungen können auch das Verhalten von Windturbinen auf extreme Wetterereignisse wie Wirbelstürme und Tornados simulieren.

3. Hyperskalierung neuer Quellen für die Erzeugung sauberer Energie

Da drei Viertel der weltweiten Treibhausgasemissionen auf den Energiesektor entfallen, ist die Diversifizierung der Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen entscheidend für das Erreichen von Netto-Null-Zielen und die Verringerung unserer Abhängigkeit von bestimmten Technologien und Ressourcen

Eine gute alternative Energiequelle ist die Geothermie. Technisch und historisch war es bisher schwierig, ergiebige geothermische Ressourcen zu finden; und Bohrungen an der falschen Stelle sind kostspielig. Ein Teil der Lösung besteht darin, konzeptionelle Modelle zu erstellen, um geothermische Ressourcen zu lokalisieren. Ist ein geothermisches Reservoir jedoch erst einmal lokalisiert, gilt es auch, seine Eigenschaften zu verstehen, um die Anlage zu erschließen, zu optimieren und die Leistung des Reservoirs zu verbessern. Das Verständnis der Strömung von Flüssigkeiten durch poröses Gestein ist für die technisch-wirtschaftliche Analyse der Projekte essenziell. Fortschrittliche Lösungen für die Modellierung und Analyse des Untergrunds können gemeinsam genutzt werden, um diese Projekte zu beschleunigen und das Risiko zu verringern.

Mit dem technologischen Fortschritt und der Realisierung von Skaleneffekten wird die Rolle des umweltfreundlichen Wasserstoffs bei der Energiewende voraussichtlich zunehmen. Denn er hat das Potenzial, die schwer zu elektrifizierenden Sektoren (zum Beispiel die Schwerindustrie) zu dekarbonisieren, erneuerbare Energie zu speichern und die Netzstabilität zu verbessern.

Tools für Entwurf, Analyse und Optimierung von Leitungen sind für umweltfreundliche Wasserstoffanlagen unerlässlich. Sie unterstützen die Modellierung von Druck und Belastung in Wasserstoffleitungen, den Entwurf korrosionsbeständiger Leitungen, die Analyse der Wärmeausdehnung und die Kosteneffizienz. Sie gewährleisten sichere, zuverlässige und wirtschaftliche Wasserstoffleitungen für die unterirdische Speicherung, den Transport zu Tankstellen und die Einspeisung in Erdgasleitungen. Darüber hinaus ermöglichen sie es, detaillierte Entwurfsdokumentationen, 3D-Modelle und Ermüdungsanalysen zu erstellen.

4. Verbesserung der Mobilitätsplanung

Die Effizienz der kollektiven Verkehrsträger zu fördern, ist ein grundlegender Aspekt der nachhaltigen Mobilität. Mehr Bürger können diese Verkehrsmittel nutzen, wenn die Zeiten für das Verlassen oder Betreten von Terminals (zum Beispiel Bahnhöfen) so kurz wie möglich gehalten werden. Fußgängerströme lassen sich mit leistungsfähiger Fußgängersimulations- und Modellierungssoftware vollständig berechnen und optimieren, was auch das Testen von Evakuierungsstrategien ermöglicht.

Ebenso gilt das für den multimodalen Verkehr. Mit der Zunahme der Bevölkerung in den Städten steigt auch die Zahl der Verkehrsmittel und Fahrzeuge. Jede Kommunalverwaltung muss das Mobilitätsmanagement in den Griff bekommen: Welche Änderungen braucht es (und wo), um Verkehrsstaus zu vermeiden, wie lassen sich Fahrspuren für Mikromobilität und Busse integrieren und wie kann auf Veränderungen in der Stadt und auf die Präferenzen der Bürger reagiert werden? All diese Szenarien können mit Mobilitätssimulationssoftware gründlich getestet und simuliert werden.

5. Planung und Verwaltung nachhaltiger Städte

Stadtplaner möchten aus verschiedenen Gründen verschiedene Datentypen zusammenführen: eine umfassendere Visualisierung, eine bessere Kommunikation mit den Beteiligten, eine bessere ganzheitliche Verwaltung und eine bessere Unterstützung für nachhaltige und resiliente Ergebnisse. Cloud-basierte Lösungen zur räumlichen Visualisierung können dies durch die sogenannte Single Pane of Glass unterstützen.

Alles beginnt mit einem digitalen Oberflächenmodell. Mit Fotogrammetrie-Tools entstehen 3D-Reality-Mesh- und digitale Oberflächenmodelle, die aus zuvor gesammelten Fernaufnahmen, Positionsdaten oder Punktwolken von Drohnen, Autos oder Satellitensensoren berechnet werden. Diese Datenebenen sind dann für verschiedene Zwecke nutzbar, etwa als Kontextinformationen (zum Beispiel Hintergrundkacheln) zur Visualisierung anderer Ebenen, als Eingabedaten für andere Modelle oder für die KI-gestützte Merkmalsextraktion zur Objekterkennung und -erfassung (zum Beispiel Computer Vision).

Für diese Technologie gibt es eine Reihe von Anwendungen, darunter:

• Berechnung und/oder Visualisierung visueller 3D-Szenarien für Hochwasserrisiken auf Stadtebene,

• Förderung nachhaltiger Praktiken innerhalb der Stadt im Hinblick auf den Energiebedarf von Gebäuden und Einrichtungen,

• Modellierung von Simulationen zur städtischen Wärmeentwicklung und zur Sicherheit auf Gehwegen und Straßen,

• Baumbestand: Bewertung des Zustands einzelner Bäume zur Vorhersage des Pflege- und Unterhaltungsbedarfs.

6. Überwachen kritischer Infrastrukturanlagen

Da der Klimaschutz den Bedarf an kritischer Infrastruktur im Zusammenhang mit sauberer Energieerzeugung und Hochwasserschutz, wie zum Beispiel Wasserkraftwerken, erhöht, muss auch die Überwachung dieser Anlagen im Mittelpunkt stehen. Hier kann man IoT und KI nutzen, um fortschrittliche Überwachungs- und Inspektionssysteme zu entwickeln.

Naturgetreue Reality-Mesh-Modelle von Dämmen (zum Beispiel auf der Grundlage von Drohnenvermessungen) lassen sich für virtuelle Ferninspektionen einsetzen. So kann beispielsweise ein Techniker in Australien einen Staudamm in den USA inspizieren. Computer Vision und KI können auch Inspektionen zur automatischen Risserkennung verbessern. IoT-Sensoren können dann dazu dienen, Frühwarnsysteme einzurichten, die automatisch Warnmeldungen auslösen, wenn eine Bodenverformung oder eine Umweltanomalie (zum Beispiel ein Anstieg des Pegels) erkannt wird. All dies ist mit digitalen Lösungen zur Dammüberwachung erreichbar.

7. Verwalten des Wasserverteilungssystems

Datengesteuerte Lösungen für ein intelligentes Management der Wasserversorgung bieten eine Reihe von Vorteilen für eine bessere Umweltleistung. Ein Beispiel ist die energieeffiziente Pumpenoptimierung.

Die Energiekosten machen oft 25 bis 30 Prozent der gesamten Betriebs- und Wartungskosten eines Versorgungsunternehmens aus, während die Pumpenenergie bis zu 50 Prozent des Stromverbrauchs eines Wasserversorgungsunternehmens verursachen kann. Durch digitale Zwillinge können Betreiber jedoch Pumpenleistungsdaten importieren, während sie ihr Wasserversorgungsnetz verwalten. Sie können Betriebsdaten mit Pumpenkurven vergleichen, um zu beurteilen, wie gut der Betriebspunkt dem Bestpunkt (Best Efficiency Point, BEP) entspricht. Außerdem können sie den Pumpenbetrieb anhand früherer Zeiträume durch Abrufen von Pumpendaten aus verschiedenen Zeitpunkten vergleichen, um festzustellen, ob sich die Leistung ändert.

Darüber tragen diese Lösungen idealerweise dazu bei, Wasserverluste (Non-Revenue Water, NRW) zu reduzieren, also jenes Wasser, das „verloren“ geht, bevor es überhaupt den Kunden erreicht. Wasserverluste haben erhebliche wirtschaftliche Auswirkungen: Jüngsten Schätzungen zufolge belaufen sie sich weltweit auf 126 Milliarden Kubikmeter, was etwa 40 Milliarden US-Dollar entspricht. Digitale Zwillinge können dabei helfen, Durchfluss und Druck zu überwachen, anormale Ereignisse zu erkennen, Wasserverluste zu verstehen und prioritär an den Stellen den Austausch von Leitungen oder Teilen vorzunehmen, wo dies am nötigsten ist. Hierdurch verringert sich der Anteil von NRW um 20 % oder mehr.

Digitale Zwillinge: Eine dynamische Lösung

Wie wir Infrastrukturen planen, bauen und betreiben, das verändert sich enorm durch digitale Zwillinge. Denn diese transformative Technologie bietet Werkzeuge für den beschleunigten Übergang zu einer nachhaltigen Zukunft, und sie ermöglicht datengesteuerte Entscheidungen im gesamten Infrastrukturlebenszyklus.

Von der Optimierung umweltfreundlicher Wasserstoffanlagen bis hin zur Verwaltung kritischer Wasserressourcen erstrecken sich die Anwendungsmöglichkeiten digitaler Zwillinge für eine nachhaltige Infrastruktur, und sie entwickeln sich ständig weiter. Die Nutzung der entsprechenden Technologien erschließt das Potenzial, eine Zukunft zu schaffen, in der Infrastruktur nicht nur funktional, sondern auch umweltverträglich und widerstandsfähig ist und zu einem florierenden Planeten beiträgt. (anm)

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