Optimierung der kommunalen Fernwärmeversorgung
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Dr.-Ing. Thomas Sander (thomas.sander@tu-dresden.de) |
Projekt: LowEX-Fernwärme – MULTILEVEL DISTRICT HEATING - Teilthema 4: Software zur Verbesserung der Einsatzchancen von Fernwärmesystemen (Trassen- und Durchmesseroptimierung, Einsatzplanung)
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Einführung
An der Technischen Universität Dresden, Institut für Energietechnik, Professur für Energiewirtschaft, wurden in den zurückliegenden Jahren umfangreiche Arbeiten zur Berechnung wärmetechnischer Schaltungen durchgeführt. Es sind Programme verfügbar, die die Nachrechnung und die interne Optimierung von Heiz-, Heizkraft- und Kraftwerken in beliebiger Konfiguration ermöglichen. Weiterhin wurden verschiedene Themen zur optimalen Gestaltung energiewirtschaftlicher Prozesse bearbeitet. Ein Hauptarbeitsgebiet des Bereiches ist die Fernwärmeversorgung, zu der große Erfahrungen vorliegen.
Die effektive Anwendung der Kraft-Wärme- Kopplung in Fernwärmesystemen bietet neben dem oft höheren Wirkungsgrad zentraler Anlagen den Vorteil, durch verminderten Brennstoffeinsatz aufgrund der gekoppelten Erzeugung von Wärme und Elektroenergie Kosten zu sparen, Ressourcen zu schonen und darüber hinaus die Emission von Schadstoffen zu senken und damit zur Entlastung der Umwelt beizutragen.
In größeren Fernwärmesystemen arbeiten oft unterschiedliche Erzeugeranlagen im Verbund. Um die gekoppelte Erzeugung von Strom und Heizwärme flexibler zu gestalten sind in vielen Netzen Heißwasser-Verdrängungsspeicher installiert.
Für die Wirtschaftlichkeit der Fernwärmeversorgung ist eine effektive Steuerung des Einsatzes von Erzeugern und Speichern im System von großer Bedeutung. Es wurde deshalb ein Programm zur Optimierung der Leistung und des zeitlichen Einsatzes von Erzeugern und Speichern für Fernwärmesysteme erstellt. Das Ziel der Optimierung besteht in der Ermittlung folgender Werte, die für die Entscheidung über die Fahrweise der Systemelemente maßgeblich sind:
- stündliche thermische Leistung
- stündliche elektrische Leistung
- Zeitpunkte und Zeitdauer des Einsatzes der einzelnen Erzeugerelemente
- elektrische Arbeit im Optimierungszeitraum, getrennt nach Tarifzeiten
- Wärmelieferung und Brennstoffbedarf im Optimierungszeitraum
- Vorgabe des Brennstoffeinsatzes
- Gesamtkosten und -gewinn
Die Einsatzweise von Heiz- und Heizkraftwerken in einem gemeinsamen Wärmenetz ist ein sehr komplexes Problem der kombinatorischen Optimierung. Jedes Werk kann einen bestimmten Anteil des durch die Abnehmer benötigten Wärmebedarfs übernehmen, wobei vielfältige technische Randbedingungen einzuhalten sind. Für dieses Problem sind verschiedene Methoden für die unterschiedlichsten Energieversorgungssysteme möglich, deren Effizienz von der Struktur dieser Systeme abhängt. Die kombinierte Anwendung von linearer und der dynamischen Optimierung stellt eine eine effiziente Möglichkeit dar und ist das Ergebnis unserer Arbeiten und das Ergebnis unseres Angebotes.
Grundlage der Optimierung sind die Bedarfswerte der Abnehmer. Sie sind nicht deterministisch bestimmbar, sondern als Zufallsgrößen nur mit einer gewissen Dispersion zu schätzen. Dies übernimmt der Programmteil "Prognose". Er kann mit allgemeinen Regressionsmodellen oder auch mit Hilfe eines neuronalen Netzes arbeiten.
Bei der Lösung der Optimierungsaufgabe überlagern sich mehrere Verfahren:
- Die interne Optimierung der Werke. Sie erfolgt in der Regel im Vorfeld der Einsatzoptimierung mit Hilfe von Programmen zur Wärmeschaltungsberechnung.
- Die Optimierung der Einsatzweise der Speicher über einen oder mehrere Tage. Sie erfolgt nach dem Prinzip der dynamischen Optimierung, da die möglichen Optimierungsstrategien streng parallel angeordnet sind.
Die Optimierung des Anteils der Werke an der Wärmelieferung und die Optimierung der Stromerzeugung. Sie wird, abhängig von der Art der Werke und der räumlichen Struktur des jeweiligen Systems, aus einer Kombination von dynamischer Optimierung und begrenzter bzw. vollständiger Enumeration bestehen.
Die Zielfunktion (Summe von Kosten und Gutschriften) besteht aus verschiedenartigen Anteilen, deren Hauptbestandteile sind:
- Kosten der Erzeugung von Wärme und Elektroenergie für jedes Werk
(Betriebskosten, Eigenbedarf, Brennstoffverbrauch). - Gutschrift für die Abgabe und Kosten für den Zukauf von Elektroenergie.
- Kosten für Übergänge (Änderung der Abgabeleistung, An- und Abfahrvorgänge).
Die Variablen müssen folgenden Randbedingungen genügen:
- Randbedingungen 1. Art: Räumliche Struktur
Standorte und Kapazitäten der Erzeuger; örtliche Einspeisestellen der Erzeuger in das Wärmenetz sowie deren maximale Einspeisemengen.
Trassen und Übertragungsleistung des Netzes.
Standorte und Kapazitäten der Wärmespeicher; örtliche Einbindungsstellen der Speicher in das Wärmenetz sowie maximale Lade- und Entlademengen. - Randbedingungen 2. Art: Zeitstruktur
Jeder Zustand des Systems hängt vom Zustand des vorherigen Zeitpunktes unmittelbar ab. Der Zeitraum der Optimierung erstreckt sich von mehreren Stunden bis einen oder mehrere Tage. Des weiteren sind die Tarife für Gutschriften und Brennstoffbezug i. a. zeitabhängig. - Randbedingungen 3. Art: Bilanzen
Für jeden Zeitpunkt müssen die Strombilanz (Ungleichungen) und die Wärmebilanz (Gleichungen) gelten, und der maximal mögliche Brennstoffbezug muss eingehalten werden. - Randbedingungen 4. Art: Technische Begrenzungen
Für die aktiven Elemente müssen Minimal- und Maximalwerte eingehalten werden. - Randbedingungen 5. Art: Juristische Festlegungen
Zu beachten sind: Struktur und Begrenzungen in Tarifen und Verträgen sowie Bestimmungen des Umweltschutzes (maximale Emissionswerte).
Beispiel
Zur Veranschaulichung soll folgendes Beispiel dienen. Das Diagramm zeigt die Bedarfswerte einer Stadt mittlerer Größe (Greifswald) für einen Herbstwochentag. In diesem Versorgungsgebiet sind 3 Gasturbinen mit je 5 MW elektrischer Leistung und je 10 MW thermischer Leistung sowie zusätzliche Heizkessel für die Spitzenlast installiert.
Neben dem Bedarf an Wärme und Strom (durchgezogene Linien) sind auch die Wärmeleistungen dargestellt, die die installierten KWK-Anlagen erzeugt haben, und die durch Laden und Entladen des Wärmespeichers ergeben.
Der "Gewinn" fällt bei Speichereinsatz mit 14.400 EUR höher aus als ohne Speicher mit 13.000 EUR. Der Speicher wird mit einer Wärmemenge von 40 MWh in Anspruch genommen. Die niedrigen Werte für den Spitzenkessel zeigen, daß der Speicher die asynchronen Spitzen der Belastungskurven von Strom und Wärme fast vollständig ausgleicht.
Fazit
- Bei Nutzung von KWK-Anlagen sind Wärmespeicher sinnvoll.
- Die Optimierung des Speichereinsatzes ist nur zusammen mit den Erzeugern möglich und benötigt i. a. komplizierte mathematische Verfahren
Nutzen
Die Vorausbestimmung des Nutzens eines Programmes für den optimalen Einsatz von KWK-Anlagen und von Wärmespeichern ist nur näherungsweise und in Anlehnung an bereits genutzte Systeme möglich. Für eine mittlere Großstadt von ca. 300 000 Einwohnern wie Chemnitz und mit gut erschlossener Fernwärmeversorgung sind folgende Effekte zu erreichen:
- Durch die Verbesserung der Prognose lassen sich durchschnittlich 1.000,- EUR/Tag erzielen.
- Durch die Verbesserung des Erzeugereinsatzes lassen sich durchschnittlich 2.500,- EUR/Tag erzielen.
Das jährliche Einsparpotential beträgt somit ca. 1,25 Millionen Euro.
Angebot
Wir erarbeiten sowohl einzelne Module als auch Gesamtsysteme für
* Prognose für Strom, Gas und Fernwärme
* Datenverwaltung und Archivierung
* Optimierung für verschiedene Ebenen
Wir bieten ein entsprechendes Rechenprogramm nicht nur für die Auslegung, sondern vor allem auch für die Betriebsführung der Erzeuger und des Speichers als ein nützliches Werkzeug an.
Wir bieten kein abgeschlossenes Programm an, sondern erstellen eine maßgeschneiderte Problemlösung. Je nach Problemgröße und damit Aufwand und je nach Vorleistungen und Mitwirkungen der Auftraggeber werden die Preise von uns individuell kalkuliert.
Die Bearbeitungszeiten einschließlich Erprobung bis zur Freigabe für die Betriebsführung betragen etwa 1 Jahr.
Planungshorizonte
Die Optimierung für die oberen 4 Planungsebenen bieten wir in Form eines individuell erstellten Rechenprogrammes an.