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Kommunale Strom- und Wärmenetze integriert planen und optimieren
Hybrides Planungsverfahren zur energieeffizienten Wärme- und Stromversorgung von städtischen Verteilnetzen (HYPV)
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HYPV nutzt lineare und nicht-lineare Optimierungsmodelle und –verfahren, um hybride Netze kostenminimal zu planen und auszulegen.
© HYPV-Konsortium
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung Planungs- und Optimierungsmethoden für die hybride Auslegung kommunaler Energieerzeugungs- und Verteilstrukturen, welche es ermöglichen, die Anforderungen eines geänderten Strommarktes und den Rückgang im Wärmebedarf in der Planung von Netzen und Förderung von Technologien gesamtwirtschaftlich zu berücksichtigen und dabei die Treibhausgasemissionen und den (fossilen) Primärenergieeinsatz zu minimieren. Der Projektansatz hat darüber hinaus zum Ziel, eine Übertragbarkeit der Ergebnisse auf vergleichbare Netzstrukturen abzuleiten und zu veröffentlichen. Hierbei sollen die Methoden auf die Versorgungsstrukturen der Städte Konstanz, Sindelfingen und Düsseldorf angewandt werden.
Steckbrief
| Werkzeugtyp | Planung, Bilanzierung/Optimierung |
|---|---|
| Laufzeit | Oktober 2014 - März 2018 |
| Kürzel | HYPV |
| Schwerpunkte |
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Projektbeschreibung
Das Projektkonsortium, bestehend aus RZVN GmbH, Uni Konstanz und HTWG Konstanz, widmet sich im Zeitraum 10/2014 bis 03/2018 der Entwicklung von Planungs- und Optimierungsmethoden für die hybride Auslegung kommunaler Energieerzeugungs- und Verteilstrukturen.
Worum geht es?
Die heutige Optimierung von Energienetzen verläuft vorrangig spartenbezogen und bezieht sich weitestgehend auf die bestehende Verteilung elektrischer und thermischer Lasten. Die Auswirkungen der Dezentralisierung von Strom- und Wärmeerzeugung, aber auch der sich wandelnden Gebäudetechnologien auf die Verteilnetze, ist bisher kaum darstellbar. Die bisher aus der Praxis und Fachliteratur bekannt gewordenen Optimierungsverfahren für Energieverteilungen beziehen sich meist auf isolierte und zentral gespeiste Stromverteilnetze oder auf die Ausbauplanung von Gas- oder Wärmenetzen. Die Intention von HYPV ist es diese Systemgrenzen zu überwinden und die zukünftig stärkere Kopplung der Energieteilsysteme (Strom, Wärme, Erdgas) zu modellieren und das Gesamtsystem zu optimieren.
Was hat man bislang erreicht?
Bisher wurden von RZVN GmbH und HTWG Konstanz erste Netz- und Gebäudeenergiekostenmodelle für lineare Optimierungsprogramme entwickelt und mit Parametern und Kostenfunktionen gespeist; darüber hinaus wurde ein erstes Grundgerüst für ein beliebig erweiterbares Simulations- und Optimierungsmodell erstellt, wodurch der Einfluss externen Energiebezuges berücksichtigt werden kann, für den bereits erste Preis- und Technologieszenarien recherchiert wurden. Zudem wurde vom RZVN ein erstes Simulationstool für notwendige städtische Strom-und Wärmenetzerweiterungen durch wachsende Anteile an BHKW und Wärmepumpen entwickelt. Parallel hierzu werden von der Universität Konstanz Algorithmen zur Optimierung des gebäudenahen Technologiemixes unter Berücksichtigung des notwendigen Netzausbau untersucht.
Projektpartner
Das Rechenzentrum für Versorgungsnetze Wehr GmbH (Dr. D. König, Dr. P. Hensel) in Düsseldorf und Konstanz verfügt seit mehr als 50 Jahren über Expertise in der Berechnung, Planung und Dimensionierung von Gas-, Strom- und Fernwärmenetzen für ca. 400 kommunale Versorgungsunternehmen. Es übernimmt die Entwicklung des spartenübergreifenden Optimierungsmodells zur Bestimmung der optimalen Netzstruktur des Stromnetzes sowie der ergänzenden Gas- und Wärmenetze (Optimierungsstufe 2). Hierbei kann auf bestehende Modellierungsansätze im Bereich der gebäudescharfen Ausbauplanung von Gas- und Wärmenetzen aufgebaut werden.
Folgende Arbeitspakete sind geplant:
- Entwicklung von Schnittstellen zur Übernahme der Netzdate
- Mathematische Abbildung der parallelen Netzstrukturen Strom, Gas, Nah-/Fernwärme für die Optimierungsaufgabe
- Lösung und Prüfung unterschiedlicher Optimierungsmethoden für die Netze der beteiligten Stadtwerke.
Die HTWG Konstanz (Arbeitsgruppe Energiewirtschaft; Professor Dr. Th. Göllinger) verfügt über Erfahrungen in der Konzeption und Durchführung inter- und transdisziplinärer Forschungsprojekte. Das Kompetenzspektrum umfasst die Modellierung von Energie-systemen, eine systematische Technologie- und Umfeldanalyse sowie eine entscheidungsrelevante Durchführung von Szenarienanalysen und die Aufbereitung der Ergebnisse. Konkret konzipiert die HTWG alle Basismodelle, die die Optimierungsmodelle von RZVN und Uni Konstanz mit Daten versorgen; so etwa Modelle für typische Gebäudeklassen, wobei berücksichtigt wird, dass die Gebäudeeigentümer die jeweiligen Effizienzpotentiale unterschiedlich stark ausschöpfen. Zudem legt sie geeignete Szenarien für die Entwicklung der Technologiekosten sowie politischen Rahmenbedingungen fest und führt abschließend die Optimierungsergebnisse zusammen, um stabile Optimalitätsbereiche zu identifizieren.
Die Universität Konstanz (Prof. Dr. S. Volkwein) wird aufbauend auf dem linearen GGLP-Modell (Gemischt Ganzzahlige Lineare Optimierung) des RZVN ein nicht lineares kombiniertes Modell entwickelt, mit dem die Netze spartenübergreifend optimiert werden sollen. Die effiziente Lösung von GGNLP-Modellen (Gemischt Ganzzahlige Nichtlineare Optimierung) ist ein aktives mathematisches Forschungsgebiet. Die Forschungsgruppe von Professor Volkwein ist insbesondere auf die Entwicklung numerischer Algorithmen zur Lösung hochdimensionaler, nicht linearer Minimierungsprobleme spezialisiert. Die Lösbarkeit hochdimensionaler Modellinstanzen, wie sie bei städtischen Netzstrukturen auftreten stehen im Fokus.
Nächste Schritte, Meilensteine, zeitliche Perspektive
Ende 2015:
- Festlegung der zu berücksichtigenden Technologien
- Abschätzung der Marktpotentiale zukünftiger Technologien
- Festlegung der Datenstrukturen und Netzmodelle
- Dokumentation des aktuellen Standes der Algorithmen
- Literaturrecherche.
Ende 2016:
- Erste Aussagen zur Wirtschaftlichkeit der jeweiligen Technologien für typisierte Gebäudetypen
- Tests des GGLP-Modells zur Bestimmung der Netzstrukturen und lokalen Technologieverteilung
- Verknüpfung der Ergebnisse des GGLP-Modells mit hydraulischer Netzberechnung zur Validierung / Anpassung der Ergebnisse
- Auswahl geeigneter GGNLP-Lösungen.
Ende 2017:
- Abschluss der Modellierungs- und Entwicklungsarbeit
- Detaillierte Anwendung der Systematik auf die Modellstädte Konstanz, Sindelfingen und Düsseldorf
- Plausibilisierung der Systemvorschläge mit den Praxispartnern
- Darstellung der Übertragbarkeit der Ergebnisse auf andere Städte.
Anwendungsreifes Produkt
Stadtwerke und andere Entscheidungsträger sollen durch eine umfassendes Simulations- und Optimierungstool über szenarienbasierte, kostenminimale, hybride Zielnetzberechnungen befähigt werden, Entscheidungen auf fundierter Basis und mit verringerten Risiken zu treffen. Hierfür wären die Ergebnisse der Kooperationspartner über eine gemeinsame Schnittstelle zu verknüpfen.
Projektdarstellung auf der Website der HTWG- Artikel der Hochrheinzeitung zum Projekt (November 2014)
