Masterarbeit - Physics informed Machine Learning for Optimizing District Heating Substations

Fraunhofer IEE; Kassel; On-site; EUR 10,000 - 15,000; Part time

Job summary

Fraunhofer IEE in Kassel forscht in der Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik. Die Abteilung Energieinformatik und Informationssysteme sucht eine Masterarbeit, die sich mit der Heizkennlinie in Fernwärmesystemen befasst.

Du entwickelst physikalisch informierte Machine-Learning-Modelle zur Vorhersage von Raum- und Vorlauftemperaturen, analysierst Einflussgrößen, integrierst Nebenbedingungen in Loss-Funktionen und evaluierst das Potenzial zur Optimierung der Heizkennlinien unter Beachtung des

Qualifications

• Laufendes Masterstudium in Ingenieurswissenschaften (z.B. Maschinenbau, Energieinformatik, Informatik)
• Bereitschaft, sich in neue, komplexe Themen einzuarbeiten
• Analytisches Denken und Freude am experimentellen Arbeiten
• Gutes Deutsch und Englisch (mind. B2) in Wort und Schrift

Responsibilities

• Analyse relevanter Einflussgrößen auf das thermische Verhalten von Gebäuden, Heizkennlinienparameter, Außentemperatur, Solareinstrahlung, Vorlauf-/Rücklauf- und Raumtemperaturen
• Identifikation physikalischer Zusammenhänge wie Wärmebilanzen und Wärmeverluste
• Integration physikalischer Nebenbedingungen in die Loss-Funktion eines ML-Modells
• Entwicklung, Training und Evaluation eines physikalisch informierten ML-Modells zur Vorhersage von Raum-/Vorlauftemperaturen
• Untersuchung des Einflusses verschiedener Nebenbedingungen auf Vorhersagegenauigkeit und benötigten Trainingsumfang
• Bewertung des Optimierungspotenzials der Heizkennlinie bei Berücksichtigung des thermischen Komforts

Skills

Analytisches Denken

Selbstständiges Arbeiten

Deutsch/Englisch B2

Education

Masterstudium Ingenieurswissenschaften

Job description

Das Fraunhofer IEE in Kassel forscht in den Bereichen Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik mit den Schwerpunkten: Energieinformatik, Energiemeteorologie und Geoinformationssysteme, Energiewirtschaft und Systemdesign, Energieverfahrenstechnik und -speicher, Netzplanung und Netzbetrieb, Netzstabilität und Stromrichtertechnik sowie thermische Energietechnik. Rund 450 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, Angestellte, Studentinnen und Studenten entwickeln Lösungen für die Energiewende und erwirtschaften rund 38 Mio. Euro Erträge pro Jahr.

Die Abteilung Energieinformatik und Informationssysteme am Fraunhofer IEE forscht und entwickelt innovative Lösungen im Kontext der Digitalisierung der Energiewende. Durch die Digitalisierung der Wärmeversorgung und im speziellen der Fernwärme, entstehen neue Möglichkeiten die Versorgungssysteme effizienter, sicherer, flexibler und nachhaltiger zu gestalten. Daher beschäftigen wir uns mit der effizienten Erschließung, Monitoring sowie Steuerung von Energieanlagen für die Wärmeversorgung von Gebäuden, Quartieren und der Industrie. Wir erarbeiten in Kooperation mit unseren Partnern innovative Softwarelösungen und Beratungsdienstleistungen an der Schnittstelle zwischen Informations- und Kommunikationstechnologien und der Wärmewirtschaft.

Hier sorgst Du für Veränderung

Deine Masterarbeit

Hausübergabestationen übernehmen eine zentrale Rolle bei der Wärmeversorgung von Gebäuden in Fernwärmesystemen. Entscheidend für einen effizienten Betrieb ist unter anderem die Heizkennlinie, deren Parameter häufig nicht optimal auf die jeweiligen Gebäudeeigenschaften abgestimmt sind. Die Folge sind unnötig hohe Vor- und Rücklauftemperaturen, die zu erhöhten Wärmeverlusten und Energiekosten führen können.

Eine bedarfsgerechte Optimierung der Heizkennlinie bietet daher großes Potenzial, die Energieeffizienz zu verbessern, ohne den thermischen Komfort der Bewohner*innen zu beeinträchtigen.

Im Rahmen Deiner Masterarbeit untersuchst Du, wie sich physikalisches Wissen in Machine-Learning-Modelle integrieren lässt, um Raum- und/oder Rücklauftemperaturen zuverlässig vorherzusagen. Ziel ist es, physikalisch informierte Machine-Learning-Ansätze zu entwickeln und deren Potenzial zur Optimierung von Heizkennlinien sowie zur Reduzierung des Bedarfs an umfangreichen Simulations- und Messdaten zu bewerten.

Deine Aufgaben im Rahmen der Masterarbeit:

• Analyse relevanter Einflussgrößen auf das thermische Verhalten von Gebäuden, insbesondere Heizkennlinienparameter, Außentemperatur, solare Einstrahlung sowie Vorlauf-, Rücklauf- und Raumtemperaturen
• Identifikation geeigneter physikalischer Zusammenhänge, beispielsweise Wärmebilanzen und Wärmeverluste über die Gebäudehülle
• Integration physikalischer Nebenbedingungen in die Loss-Funktion eines Machine-Learning-Modells
• Entwicklung, Training und Evaluation eines physikalisch informierten Machine-Learning-Modells zur Vorhersage von Raum- und/oder Rücklauftemperaturen
• Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher physikalischer Nebenbedingungen auf die Vorhersagegenauigkeit und den erforderlichen Umfang an Trainingsdaten
• Bewertung des Potenzials zur Optimierung von Heizkennlinien und zur Reduzierung von Rücklauftemperaturen unter Berücksichtigung des thermischen Komforts

Hiermit bringst Du Dich ein

• Laufendes Masterstudium der Ingenieurswissenschaften (z.B. Maschinenbau), Energieinformatik, Informatik oder vergleichbare Fachrichtungen
• Bereitschaft und Fähigkeit sich in neue und komplexe Themen einzuarbeiten
• Analytisches Denken und Freude am experimentellen und selbständigen Arbeiten
• Gutes Deutsch und Englisch in Wort und Schrift (mind. B2 Niveau)

Was wir für Dich bereithalten

• Einblick in anwendungsorientierte Forschung der Energiebranche mit direkter Relevanz für Industrie und Gesellschaft
• Zugang zu Expertennetzwerken in der Energiewirtschaft und Forschung
• Verpflichtung zur Charta der Vielfalt – Wir fördern aktiv Vielfalt und Inklusion in allen Bereichen
• Option auf eine Weiterbeschäftigung (z. B. als wissenschaftliche Hilfskraft oder für eine Promotion)
• Flexible und individuelle Anpassung der Arbeitszeit an Vorlesungs- und Klausurzeiten sowie die Möglichkeit zur Arbeit im Home-Office oder im modernen Institutsgebäude mit New Work Konzept in zentraler Lage

Wir wertschätzen und fördern die Vielfalt der Kompetenzen unserer Mitarbeitenden und begrüßen daher alle Bewerbungen – unabhängig von Alter, Geschlecht, Nationalität, ethnischer und sozialer Herkunft, Religion, Weltanschauung, Behinderung sowie sexueller Orientierung und Identität. Schwerbehinderte Menschen werden bei gleicher Eignung bevorzugt eingestellt. Unsere Aufgaben sind vielfältig und anpassbar – für Bewerber*innen mit Behinderung finden wir gemeinsam Lösungen, die ihre Fähigkeiten optimal fördern.

Im Rahmen der Masterarbeit besteht außerdem die Möglichkeit als wissenschaftliche Hilfskraft, mit einem dir passenden Stundenumfang (40 bis 80 Stunden) tätig zu sein. Die Stelle ist zunächst auf 12 Monate befristet, wobei wir eine längerfristige Zusammenarbeit anstreben. Ausnahmen für eine kürzere Laufzeit sind grundlegende betriebliche Gründe, der persönliche Wunsch des Studierenden oder das Ende des Studiums. Die Vergütung richtet sich nach der Gesamtbetriebsvereinbarung zur Beschäftigung der Hilfskräfte.

Mit ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien sowie auf die Verwertung der Ergebnisse in Wirtschaft und Industrie spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale Rolle im Innovationsprozess. Als Wegweiser und Impulsgeber für innovative Entwicklungen und wissenschaftliche Exzellenz wirkt sie mit an der Gestaltung unserer Gesellschaft und unserer Zukunft.