1 Handbuch FreeOpt. Handbuch FreeOpt

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1 1 Handbuch FreeOpt Handbuch FreeOpt

2 2 Handbuch FreeOpt Inhalt Inhalt Einleitung Bilanzraum und Randbedingungen Installation und Bedienung von FreeOpt Installation Bestimmung des Erzeugerparks Erstellung von Szenarien Optimierung Darstellung der Ergebnisse Linearisierung realer Kurvenverläufe Berücksichtigung von Anfahrkosten Technische Beschreibung der Erzeuger/ thermischen Speicher Blockheizkraftwerke Heizkraftwerke Heizwerke und Heizkessel Solarthermische Anlagen Wärmepumpen Thermische Speicher Wirtschaftliche Rahmenbedingungen Allgemeines Energie- und Brennstoffverträge Förderungsgesetze und Verordnungen von KWK-Anlagen...29 Literatur...33

3 3 Handbuch FreeOpt 1 Einleitung FreeOpt ist ein kostenfreies Optimierungstool für die Einsatzplanung von Wärmeerzeugern im Verbund mit Wärmespeichern in einem Fernwärmenetz. Es gibt eine Vielzahl derartiger Softwarelösungen, die aber stets lizenzpflichtig sind und Kosten von mehreren Zehntauschend Euro oder mehr verursachen. Gerade für kleinere Versorgungsunternehmen und Planungsbüros lohnt sich eine Anschaffung finanziell oft nicht. Hier soll FreeOpt eine sinnvolle Alternative bieten, die alle wichtigen Funktionen einer Einsatzplanung mit sich bringt. Implementiert sind folgende Erzeuger: Blockheizkraftwerke, Dampfturbinen- Heizkraftwerke (mit Entnahme-Gegendruckturbinen oder Entnahme- Kondensationsturbinen), Heizwerke bzw. Kessel, solarthermische Anlagen und Wärmepumpen. Darüber hinaus können auch Stromverträge (Stromlieferung an den bzw. Strombezug von dem übergeordneten Netzbetreiber) sowie Wärmespeicher in die Optimierung eingebunden werden. Mit Hilfe mathematischer Optimierungsverfahren erfolgt durch die Minimierung der Gesamtbetriebskosten die Ermittlung des kostenoptimalen Fahrplans: Wann wird welcher Erzeuger in welcher Form eingesetzt, wie werden die Speicher gefahren und welches Volumen der Stromverträge wird genutzt. Bereits bei kleineren Erzeugerparks ist die Zahl der möglichen Betriebsweisen sehr groß, so dass die rechnergestützte Entscheidung wirtschaftliche Potentiale aufzeigen kann. FreeOpt dient daher als Entscheidungs- und Planungshilfe für bestehende oder neue Fernwärmesysteme. Bei letzteren kann mit Hilfe einer zusätzlichen Investitionskostenabschätzung der Anlage (muss vom Benutzer selbst durchgeführt werden) die Gesamtkosten genauer bestimmt werden. Außerdem fungieren die durch FreeOpt ermittelten minimalen Betriebskosten als Bewertungsgröße für die Fahrweise des Erzeugerparks. 2 Bilanzraum und Randbedingungen In Bild 1 ist der Bilanzraum dargestellt. Alle gewählten Erzeuger hängen über das Fernwärmenetz zusammen. Eine weitere Kopplung besteht über das Stromnetz. Ggf. existierende lokal einspeisende Erzeuger werden zu einem Standort zusammengefasst. Der Optimierungszeitraum kann beliebig gewählt werden. Die zeitliche Diskretisierung hingegen ist auf eine Stunde festgelegt, d.h. alle Leistungen sind als Stundenmittelwerte aufzufassen. Die Bedarfswerte für die thermische und elektrische Leistung sind in Form eines Lastprofils mit stündlicher Auflösung vorzugeben. Durch die Wahl eines gemischt-ganzzahligen, linearen Optimierungsmodells können alle Kennlinien, Parameter sowie die restlichen Zusammenhänge nur vereinfacht - nämlich linearis iert - dargestellt werden. Die Vor- und Rücklauftemperaturen an den Erzeugergrenzen werden in allen Zeitschritten als konstant angenommen (z.b. Verwendung des Mittelwertes aus allen Zeitschritten).

4 4 Handbuch FreeOpt Bilanzgrenze Σ Q Br Wärmespeicher Strombedarf P Soll Heizwerk/ Kessel Q Soll Blockheizkraftwerk Heizkraftwerk Stromverbundnetz Wärmebedarf Solarthermie Wärmepumpe Bild 1 Bilanzraum von FreeOpt 3 Installation und Bedienung von FreeOpt 3.1 Installation Zur Installation von FreeOpt muss die Datei setup.exe aufgerufen werden. Als Standardinstallationsverzeichnis ist "C:\Programme\FreeOpt" eingestellt, kann vom Benutzer aber frei gewählt werden. Bei Benutzung einer 64-Bit -Version von Windows gibt es eine spezielle Ordnerstruktur für 32-Bit-Programme, die in den Ordner "C:\Programme\..." installiert werden. Bei

5 5 Handbuch FreeOpt FreeOpt als 32-Bit-Programm kommt es aufgrund dieser speziellen Ordnerstruktur zu Fehlern. FreeOpt darf daher nicht in "C:\Programme\..." bzw. "C:\Programme (x86)\freeopt" installiert werden. Abhilfe schafft ein davon abweichender Pfad, wie z.b. "C:\FreeOpt". Die restliche Installation erfolgt automatisch. Mögliche Fehlermeldungen in Bezug auf die Registrierung einzelner Dateien können ignoriert werden. In manchen Fällen erscheint der Hinweis, dass einzelne Systemkomponente veraltet sind. Abhilfe schafft eine Aktualisierung der Komponenten oder die Installation des Service Packs 6 für Visual Basic 6.0 über die Homepage en&familyid= 7b9ba2 61-7a9c-43e f673077ffb3c. Ist die Installation abgeschlossen, kann das Programm durch Aufruf der Datei "FreeOpt.exe" im angelegten Verzeichnis oder über das Startmenü gestartet werden. Wichtig ist, dass in Windows als Trennungszeichen der Punkt eingestellt ist. Unter Windows Vista und Windows7 ist die Hilfe-Datei nicht sofort startbar. Es muss den gezeigten Hinweisen Folge geleistet werden. Um die Benutzeroberfläche vollständig darstellen zu können, bedarf es einer Bildschirmauflösung von mindestens 1280x Bestimmung des Erzeugerparks FreeOpt wird über eine Benutzeroberfläche bedient. Nach dem Starten erscheint ein zunächst komplett leerer Bildschirmplot. Dieser wird im Folgenden als Startoberfläche bezeichnet. Am unteren Rand der Startoberfläche befindet sich eine Statusleiste mit folgenden Informationen: ausgewähltes Szenario mit Optimierungsart, Optimierungszeitraum und Anzahl der Zeitschritte, Datum, aktuelle Uhrzeit. In der Menüleiste oberhalb der Benutzeroberfläche finden sich sechs Menüeinträge: < Datei>, < Bearbeiten>, < Einfügen>, < Optimierung>, < Ergebnisse> und <?> (Bild 2 ). Bild 2 Startoberfläche von FreeOpt (rot umrandet: Menüleiste)

6 6 Handbuch FreeOpt Die einzelnen Menüeinträge beinhalten weitere Untermenüs. Die Menüstruktur in FreeOpt is t in Bild 3Bild 3 dargestellt. Datei Bearbeiten Einfügen Optimierung Ergebnisse? Laden Netznutzung Erzeuger Starten Kosten Hilfe Speichern Systemgrößen Speicher 17 weitere Größen Lizenzbedingungen Beenden Stromverträge... Brennstoff Ergebnisse exportieren Bedarfswerte Bild 3 Menüstruktur in FreeOpt Über den Menüeintrag < Datei> können Energiesysteme geladen und gespeichert sowie das gesamte Programm beendet werden. Weitere Hinweise finden sich in der Programm- Hilfe, welche s ich über den Menüeintrag <?> oder durch Drücken der F1-Taste aufrufen lässt. Der gewünschte Erzeugerpark wird über das Menü < Einfügen> aus Erzeugern, Speichern, Stromverträgen und Brennstoffen beliebig im "Baukastenprinzip" zusammengesetzt. Es stehen sechs verschiedene Erzeugerklassen zur Auswahl: Blockheizkraftwerke, Dampfturbinen-Heizkraftwerke (mit Entnahme-Gegendruckturbinen oder Entnahme-Kondensationsturbinen), Heizwerke bzw. Kessel, solarthermische Anlagen und Wärmepumpen. Bei den Stromverträgen können sowohl Bezugsverträge als auch Lieferverträge angelegt werden. Stellvertretend ist in Bild 4 das Bearbeitungsmenü eines Blockheizkraftwerkes dargestellt. Die auf der linken Seite des Bearbeitungsmenü befindlichen Eingabefelder müssen zwingend ausgefüllt werden, die auf der rechten sind optional. Grau hinterlegte Parameterwerte können erst nach Erstellen eines Szenarios editiert werden. Über den Button Speichern/OK erfolgt die Speicherung der eingegebenen Daten. Um das Bearbeitungsmenü ohne speichern wieder verlassen zu können, muss der Schließen- Button im Fenster oben rechts benutzt werden. Die Werte für die einzelnen Parametern stammen aus Datenblättern, eigenen Messwerten, Statistiken oder sind vom Benutzer selbst abzuschätzen. Detaillierte Informationen zu den technischen und wirtschaftlichen Hintergründen finden sich in den Kapiteln 4 und 5 s ow ie Hinw eis e zu der Parametereingabe in der Programm-Hilfe. Die Option "Erweitert" bei der Stromkennzahl, dem Wirkungsgrad und dem Elektrischen Eigenbedarf dient der Eingabe der Parameter von linearisierten Kurvenverläufen (Approximation des Teillastverhaltens). Detaillierte Ausführungen dazu finden sich im Kapitel 3.5.

7 7 Handbuch FreeOpt Bild 4 Bearbeitungsmenü eines Blockheizkraftwerkes Sobald Erzeuger eingefügt wurden, erscheinen diese tabellarisch dargestellt im oberen Teil der Startoberfläche (pro Spalte ein Erzeuger). Durch Anklicken einer beliebigen Stelle der Spalte wird das Bearbeitungsmenü des Erzeugers aufgerufen. Analog sind nach Einfügen eines Speichers, Stromvertrags oder Brennstoff diese unterhalb der tabellarischen Darstellung der Erzeuger in Listenform aufgeführt. Durch Anklicken des jeweiligen Namens wird das Bearbeitungsmenü aufgerufen. Die Startoberfläche nach Anlegen eines Erzeugerparks is t in Bild 5 darges tellt. Bild 5 Startoberfläche nach Anlegen eines Erzeugerparks (angelegte Erzeuger, Speicher, Stromverträge und Brennstoffe rot eingerahmt)

8 8 Handbuch FreeOpt Zusätzlich erfolgt über das Menü < Bearbeiten> die Festlegung weiterer Rahmenbedingungen zur Netznutzung und zu den Systemgrößen (Bild 6). Bild 6 Bearbeitungsmenü zur Netznutzung und zu den Systemgrößen 3.3 Erstellung von Szenarien Nach dem Erstellen von mindestens einem Erzeuger, Speicher, Stromvertrag oder Brennstoff findet sich auf der rechten Seite der Startoberfläche (Bild 5) der Button Grundeinstellungen Energiesystem sowie das Feld Szenarien. Szenarien dienen zum einen zum Festlegen des Zeitbereichs und zum anderen können gezielt die Grundeinstellungen des Energiesystems variiert werden, ohne es zu verändern. Dazu muss im Feld Szenarien zunächst der Button Neues Szenario erstellen gedrückt werden. Es erscheint ein Fenster, in welchem die Eingabe des Namens des Szenarios erfolgt. Nach der Bestätigung über den Button OK öffnet sich das Fenster zur Festlegung des Optimierungszeitraumes (Bild 7). Unter Auswahl des Zeitbereichs können die Anfangszeit und das Anfangsdatum sowie die Endzeit und das Enddatum angeben werden. Nach Betätigen des Buttons Änderung des Zeitbereichs wird darunter automatisch die Anzahl der Zeitschritte (= Anzahl der Stunden) angepasst. Bild 7 Auswahl des Zeitbereichs

9 9 Handbuch FreeOpt Alternativ kann auch unter Auswahl der Zeitschritte die Anzahl der Zeitschritte eingeben werden. Nach Betätigung des Buttons Änderung der Zeitschritte wird die Endzeit und das Enddatum automatisch an die Anfangszeit und das Anfangsdatum angepasst. Wurden die gewünschten Einstellungen vorgenommen, erfolgt die Bestätigung der Eingaben über den Button OK. Der einmal für das Szenario festgelegte Optimierungszeitraum kann nachträglich nicht mehr geändert werden. Ist dies gewünscht, muss der Benutzer ein neues Szenario anlegen. Anschließend wird über den entsprechenden Button eine von zwei Optimierungsarten ausgewählt: die geschlossene Optimierung und die tageweise Optimierung. Bei erstgenannter Variante sind alle Variablen aller Zeitschritte des gesamten vorgegebenen Optimierungszeitraums miteinander gekoppelt, sie können sich gegenseitig beeinflussen. Es ergeben sich mehr Freiheitsgrade in der Fahrweise der Erzeuger, indem der Speichereinsatz und Anfahrkosten tageübergreifend sowie Leistungspreise berücksichtigt werden können. Nachteilig sind die je nach Wahl von Optimierungszeitraum und Erzeugerstruktur hohen Rechenzeiten. Dies wird bei der tageweisen Optimierung umgangen, da die Optimierung hintereinander getrennt für jeden Tag erfolgt. Die Variablen unterschiedlicher Tage sind entkoppelt. Die tageweise Optimierung kann erst ab einen Optimierungszeitraum von 24 Stunden gewählt werden. Angefangene Tage am Anfang und am Ende des Optimierungszeitraumes werden als eigenständige Tage betrachtet. Das erstellte Szenario erscheint als auswählbarer Button im Feld Szenarien (Bild 8 ). Bis zu 20 Szenarien können erstellt werden. Durch Anklicken des jeweiligen Buttons wird ein Szenario ausgewählt, erkennbar durch die rote Einfärbung des Buttons. Nun können beliebig Erzeuger, Speicher, Stromverträge, Brennstoffe geändert, hinzugefügt oder gelöscht werden. Die Änderungen betreffen immer nur das aktuell ausgewählte Szenario. Gleiches gilt für die Netznutzung und die Systemgrößen. Bild 8 Startoberfläche nach Erstellen von Szenarien und Einfügen der Bedarfswerte (Szenarien und Bedarfswerte rot eingerahmt)

10 10 Handbuch FreeOpt Nach Erstellen eines Szenarios können über den Menüpunkt Einfügen die Bedarfswerte für die thermische und elektrische Leistung durch Anklicken der jeweiligen Zelle in der Tabelle eingeben werden. Mit Hilfe des Buttons Auffüllen werden bereits eingegebene Werte bis zum Ende hin aufgefüllt. Alternativ erfolgt über den Button Einlesen die Übernahme von externen Daten (Datenformat: txt). Die Bestätigung der Eingabe geschieht durch den Button OK. Nachdem die Bedarfswerte einmal eingeben wurden, ist der jeweilige Menüpunkt im Menü gesperrt. Dafür erscheint unterhalb der tabellarischen Darstellungen der Erzeuger auf der Startoberfläche das Feld Bedarfswerte mit den Buttons Thermische Leistung und Elektrische Leistung (Bild 8 ). Über diese beiden können die Bedarfswerte nachträglich editiert werden, gleiches gilt für die Zeitwerte ausgewählter Parameter (z.b. technische Grenzen, Stromvertragsgrenzen, Sonneneinstrahlungsleistung). Wird der Button Grundeinstellungen Energiesystem ausgewählt, kann das grundlegende Energiesystem editiert werden. Der Button ist dann rot eingefärbt. Wird ein neues Szenario erstellt, dient das grundlegende Energiesystem als Vorlage. Die bereits erstellten Szenarien bleiben unberührt. 3.4 Optimierung Optimiert w erden kann jeweils nur das aktuell ausgewählte Szenario (über Menüleiste: < Optimierung> /< Starten> ). Es erfolgt vor der Optimierung eine automatische Speicherung. Während der Berechnung findet sich in der unteren Leiste der Hinweis "Optimierung läuft". Bei einer tageweisen Optimierung ist der aktuell bearbeitete Tag angegeben. Die Optimierung kann jederzeit über die ESC-Taste abgebrochen werden. Nachdem die Optimierung erfolgreich durchgeführt wurde, erscheint der Hinweis "Optimierung beendet". Wichtig: Während der Optimierung darf keine Ausgabedatei geöffnet sein. Dies kann je nach Größe und Struktur des Optimierungsproblems unterschiedlich lange dauern. Eine große Herausforderung bei Optimierungsproblemen aller Art ist die Reduzierung der für die Optimierung benötigten Rechenzeit. Zum einem hängt sie stark vom verwendeten Computer und Solver ab. Durch Verwendung leistungsstärkerer Computer wird im Allgemeinen schneller eine Lösung gefunden. Der Solver hingegen ist intern festgelegt, der Benutzer hat darauf keine Möglichkeit der Einflussnahme. Die Grenze bildet die Anforderung, FreeOpt kostenlos anbieten zu können, so dass auf bessere, aber kommerzielle Solver verzichtet werden muss. Der Benutzer hat hingegen direkten Einfluss auf die Modellierung. Durch die Vorgabe aller Parameter und Randbedingungen wird im Wesentlichen das Optimierungsmodell bestimmt, welches ebenfalls einen großen Einfluss auf die Rechengeschwindigkeit hat. Hauptschwierigkeit ist die Abschätzung des Zusammenhangs des Optimierungsmodells mit der Rechengeschwindigkeit. Selbstdurchgeführte Tests haben gezeigt, dass selbst kleinere Änderungen eines Parameters die Rechenzeit dramatisch erhöhen können. Das hängt stark auch von der Wahl der restlichen Parameter und Randbedingungen ab. Eine Abschätzung der benötigten Zeit für die Optimierung ist somit bei FreeOpt kaum möglich, zumal der Zahl der möglichen Optimierungsprobleme aufgrund der Flexibilität von FreeOpt keine Grenzen gesetzt sind. Diese Schwierigkeit mit der genauen Abschätzung der Rechenzeiten tritt bei den meisten großen gemischt-ganzzahligen Optimierungsproblemen auf.

11 11 Handbuch FreeOpt Durch umfangreiche Tests ergeben sich folgende Handlungsmöglichkeiten zur Reduzierung der Rechenzeit speziell bei FreeOpt: Reduzierung des Optimierungszeitraums (vor allem bei geschlossener Optimierung) Anzahl der Erzeuger reduzieren / Erzeuger zusammenfassen gleichartige Erzeuger (Erzeuger mit ähnlichen Parametern) vermeiden nicht modulierende Erzeuger vermeiden "Festsetzen" einzelner Erzeuger auf den Zustand AN oder AUS durch Eingabe von geeigneten Zeitwerten der Leistung (AN: Minimalleistung > 0, AUS: Maximalleis tung = 0 ) Speicherzwischenstände vorgeben Parameter testweise im technisch vertretbaren Rahmen verändern (vor allem Wirkungsgrade oder Brennstoffpreise) 3.5 Darstellung der Ergebnisse Über den Menüeintrag < Ergebnisse> lassen sich die Optimierungsergebnisse tabellarisch anzeigen (Bild 9). Es handelt sich um die in Tabelle 1 aufgelisteten Größen. Bei vielen Größen ist außerdem eine graphische Darstellung möglich. Tabelle 1 Auflistung der angezeigten Ergebnisse Ergebnisse Bemerkung Graphische Darstellung Kosten und Erlöse für alle Teilkosten und -erlöse - Elektrische Leistung für alle Erzeuger und Zeitschritte + Thermische Leistung für alle Erzeuger und Zeitschritte + Brennstoffleistung für alle Erzeuger und Zeitschritte + Elektrischer Eigenbedarf für alle Erzeuger und Zeitschritte + Anfahrvorgänge für alle Erzeuger und Zeitschritte - Betriebszustand für alle Erzeuger und Zeitschritte - Bilanzverletzungen für alle Zeitschritte - KWK-Strom für alle KWK-Erzeuger und Zeitschritte + Not-/Hilfskühlerleistung für alle KWK-Erzeuger und Zeitschritte + Eigenbedarf Not-/Hilfs kühler für alle KWK-Erzeuger und Zeitschritte + Stromverträge für alle Stromverträge und Zeitschritte + Netznutzung für alle Zeitschritte + Vermiedene Netznutzung für alle Zeitschritte + Speicherinhalt für alle Speicher und Zeitschritte + Speicherladung/-entladung für alle Speicher und Zeitschritte + CO 2 -Emission für alle Erzeuger - Betriebsdauer für alle Erzeuger - Darstellungen von verschiedenen Variablen in einem Diagramm müssen selbst vom Benutzer angefertigt werden. Die dazu benötigten Dateien finden sich direkt nach der Optimierung bzw. nach dem Exportieren über den Menüeintrag Ergebnisse exportieren (letzter Menüeintrag) im Ordner "Ausgabe" des Hauptverzeichnisses.

12 12 Handbuch FreeOpt Bild 9 Darstellungen der Ergebnisse; hier: Darstellung der elektrischen Leistung 3.6 Linearisierung realer Kurvenverläufe In FreeOpt müssen aufgrund der Festlegung auf ein gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem alle verwendeten Nebenbedingen und die Zielfunktion linear sein. Viele Zusammenhänge in der Energiewirtschaft hingegen sind in der Realität nichtlinear. Zum Beis piel s inkt im Allgemeinen bei einem BHKW der elektrische Wirkungsgrad bei abnehmender Leistung (Teillast), der thermische Wirkungsgrad hingegen steigt. Folglich nimmt die Stromkennzahl ab. Im P-Q-Diagramm ergibt sich somit keine Gerade, sondern ein konvexer Kurvenverlauf (Bild 10). 7 P-Q-Diagramm Elektrische Leistung [kw] Thermische Leistung [kw] Kennlinie real Kennlinie approximiert Kennlinie Auslegungspunkt Bild 10 BHKW: Vergleich realer Verlauf der Kennlinie, Verlauf der approximierten Kennlinie durch den Auslegungspunkt und Verlauf der Ausgleichsgerade als Kennlinie

13 13 Handbuch FreeOpt Die Frage ist nun, wie dieser Kurvenverlauf linear approximiert werden kann. Die einfachste Lösung ist es, die Stromkennzahl am Auslegungspunkt für alle Leistungspunkte zu übernehmen, d.h. die Stromkennzahl als konstant anzunehmen. Dies ist vor allem dann sinnvoll, wenn keine weiteren Daten zur Verfügung stehen. Vertretbare Abweichungen ergeben sich bei stärker gekrümmten Kurvenverläufe nur in der Nähe des Auslegungspunktes (Bild 10). In FreeOpt ist diese Methode als Standardform implementiert. Besser - sofern die entsprechenden Daten vorhanden sind - ist die Approximation über eine Ausgleichsgeraden (lineare Regression bzw. Minimierung der Fehlerquadrate) in der Form y = ax + b. Diese ist umso genauer, je geringer die Krümmung der Kurve ist. Bei Vorhandensein der notwendigen Daten (in diesem konkreten Fall elektrische und thermische Leistung für mehrere Betriebspunkte) lassen sich leicht die Koeffizienten der Ausgleichsgerade finden (z.b. mit Hilfe der Regressionsfunktion in Excel). In FreeOpt findet sich an der entsprechenden Stelle die Option erweitert" mit a als der variable Koeffizient und b als der konstante Koeffizient. Beide müssen vom Benutzer vorgegeben werden. Die Abweichungen vom realen Kurvenverlauf ist in der Regel gering (Bild 10). Eine andere Möglichkeit ist es, die Gerade zu verwenden, die den Maximal- und Minimalwert beinhaltet. Zusätzlich erfolgt eine Approximation der Wölbung durch ausreichend viele Ungleichungen. Somit wird ein zulässiger Bereich eingeschränkt. Im ungünstigsten Fall (es werden Werte angenommen, die auf der Ausgleichsgerade liegen) ist diese Approximation deutlich schlechter als durch lineare Regression. Im günstigsten Fall (es werden die Punkte auf den Ungleichungsgerade getroffen, z.b. wenn dort die Kosten am niedrigsten sind) ergibt sich eine sehr hohe Genauigkeit. Diese guten Werte sind in jedem Falle erreichbar, wenn eine stückweise lineare Approximation verwendet wird. Nachteilig ist die in der Regel deutlich erhöhte Rechenzeit, da zusätzliche Binärvariablen zur Kennzeichnung des Gültigkeitsbereiches verwendet werden müssen. Die beiden Methoden Approximation durch Ungleichungen und stückweise Linearisierung sind in FreeOpt aufgrund ihrer aufwendigen Parametrisierung durch den Benutzer nicht implementiert. Die vorgestellten Methoden lassen sich nicht nur zur Bestimmung des Verlaufes des P-Q- Diagramms verwenden. Analog vorgegangen wird beim Wirkungsgrad und dem elektrischen Eigenbedarf sowie beim Brennstoffverbrauch und dem Kennlinienfeld von Heizkraftwerken mit Entnahme-Kondensationsturbinen. Eine Beschreibung findet sich an der jeweiligen Stelle in der Programm-Hilfe. 3.7 Berücksichtigung von Anfahrkosten Erhöhte Kosten beim Anfahren eines Erzeugers entstehen im Wesentlichen aus zwei Gründen: a) nach dem Stillstand eines Erzeugers ist dieser abgekühlt und das Wiederaufwärmen erfordert einen höheren Brennstoffeinsatz b) beim Anfahren kommt es zu einem erhöhten Verschleiß der Anlage und somit zu einem erhöhten Wertverlust. In FreeOpt können die Anfahrkosten pro Anfahrvorgang pauschal und die maximale Anzahl der Anfahrvorgänge vorgegeben werden. Hauptschwierigkeit ist die Abschätzung des Wertes der Anfahrkosten. Bezogen auf den erhöhten Brennstoffeinsatz können die

14 14 Handbuch FreeOpt durch das Anfahren zusätzlich anfallenden Brennstoffkosten als Anfahrkosten interpretiert werden, der Verschleiß wird als ein gewisser Prozentteil der Investitionssumme berücksichtigt. In beiden Fällen handelt es sich um eine sehr grobe Abschätzung des Wertes. Aus diesem Grund ist es ratsam, die durchs Anfahren anfahrende Kosten als fiktive Kosten zu interpretieren. 4 Technische Beschreibung der Erzeuger/ thermischen Speicher 4.1 Blockheizkraftwerke Ein Blockheizkraftwerk (BHKW) is t eine KWK-Anlage, die gleichzeitig elektrische und thermische Energie bereitstellt. Die erzeugten Leistungen liegen im Bereich von einigen kw bis hin zu mehren MW. Durch die Kraft-Wärme-Kopplung können ein Brennstoffausnutzungsgrad von bis zu 90% und gegenüber der getrennten Erzeugung von Wärme und Strom Brennstoffeinsparungen bis zu 20% erreicht werden. Es ist üblich mehrere BHKW-Module zu einer Anlage zusammenzufassen. Bei der Bewertung (notwendig z.b. für die Vergütung durch das KWK-Gesetz) wird die Gesamtleistung aller Module sowie das Baujahr der ältesten Anlage angegeben. Eine Anlage unter 50 kw w ird als Mini-BHKW, eine Anlage unter 15 kw als Mikro-BHKW bezeichnet. Wie in Bild 11 vereinfacht dargestellt, besteht ein BHKW aus einem Motor mit Generator und Netzkopplung sowie einem Kühlwasser- und Abgaswärmeübertrager. Typischerweise handelt es sich dabei um einen Verbrennungsmotor, teilweise werden an das BHKW angepasste Spezialmotoren eingesetzt. Eine Alternative ist die Verwendung von Gasturbinen. Die Generatoren sind direkt mit den Motoren gekoppelt, übliche Drehzahlen betragen 1500 U/min. Bei großen BHKWs über 3 MW elektrischer Leistung sind die Drehzahlen deutlich geringer. Die gewonnene Energie kann direkt vor Ort genutzt werden oder in das öffentliche Netz eingespeist werden. Kühlwasser- und Abgaswärmeübertrager sind in der Regel in Reihe geschaltet. Davor kann sich noch ein Ladeluft- bzw. Ölkühler befinden, um Rücklaufheizwasser vorzuwärmen. Zur Übertragung einer möglichst großen Wärmeleistung sollten die Rücklauftemperaturen kleiner 7 0 C s ein.

15 15 Handbuch FreeOpt Abgaswärmeübertrager Speisewaserpumpe Abgas Motor G Brennstoff Bild 11 Funktionsprinzip eines BHKWs Im Auslegungsfall können BHKWs elektrische Wirkungsgrade zwischen 35% und 42% erreichen. Bei Teillas t (bis minimal 4 0 % der Nominalleis tung) verringern s ich die Werte der Wirkungsgrade annähernd linear (7% bis 10% Differenz zwischen den Wirkungsgraden bei Minimal- und Maximalleistung). Der Einfluss der Außentemperatur auf den elektrischen Wirkungsgrad ist in der Regel vernachlässigbar, auf den thermischen Wirkungsgrad bei einer Freiluftaufstellung hingegen nicht. Dieser sinkt spürbar bei fallenden Außentemperaturen aufgrund von steigenden thermischen Verlusten. Bei Teillast ist ein Ansteigen des thermischen Wirkungsgrades zu beobachten, so dass der Gesamtwirkungsgrad für alle Betriebsweisen annähernd konstant bleibt (80-90%). In der Regel steigen die Brennstoffnutzungsgrade mit größeren Anlagenleistungen und geringeren Rücklauftemperaturen. In seltenen Fällen (vor allem wenn ein Dauerbetrieb der Anlage angestrebt wird) finden Hilfskühler (in diesem Fall Bezeichnung als Notkühler) auch bei BHKWs Verwendung, was den Gesamtwirkungsgrad deutlich reduziert. Blockheizkraftwerke haben ein breites Einsatzfeld. Neben dem Einsatz im Wohnbereich für z.b. Ein- oder Mehrfamilienhäusern, kleinen Wohnsiedlungen und Einkaufszentren ist auch die Verwendung in einer ganzen Reihe von öffentlichen Gebäuden (z.b. Schulen, Schwimmbädern, Theater, Museen) sinnvoll. Auch Bereitstellung von Niedertemperatur- Prozesswärme für kleinere Gewerbebetriebe und Kleinindustrieanlagen kann durch BHKWs gedeckt werden. Üblicherweise werden die BHKWs wärmegeführt betrieben, der Strom als "Abfallprodukt" dient zur Deckung des Eigenbedarfs oder wird ins öffentliche Netz eingespeist. 4.2 Heizkraftwerke In einem Heizkraftwerk (HKW) werden in einem Koppelprozess elektrische und thermische Energie aus fossilen oder erneuerbaren Brennstoffen gewonnen. Dabei erfolgt eine Ausnutzung der technischen Arbeit des Arbeitsmittels Wasser bzw. Wasserdampf in einer Dampfturbine.

16 16 Handbuch FreeOpt Es werden zwei verschiedene Arten von Dampfturbinen unterschieden. Bei einer Entnahme-Kondensationsturbine hat der Dampf nach der Turbine einen so geringen Druck, dass die Stromausbeute maximiert wird. Bei einer Gegendruckturbine ist die Dampftemperatur noch so groß, um das Medium des Fernwärmenetzes erwärmen zu können. Dies bringt im Vergleich zur Kondensationsturbine Stromeinbuße mit sich. Turbine Brennstoff Speisewaserpumpe Dampferzeuger Kondensator G Generator Wärmetauscher Bild 12 Blockschaltbild Heizkraftwerk In Bild 12 ist das Blockschaltbild eines Heizkraftwerkes abgebildet. Das Arbeitsmedium Wasser wird durch die Speisewasserpumpe in den Dampferzeuger transportiert. Dort wird das Wasser verdampft und ggf. überhitzt. Im Leistungsbereich von 10 MW bis 200 MW werden Frischdampfdrücke von 40 bar bis 115 bar und Temperaturen zwischen 400 C und 535 C erreicht /Mohr 98/. Anschließend wird der Frischdampf in der Turbine entspannt, je nach Leistung der Anlage auch mehrstufig (Hoch-, Mittel- und Niederdruckturbine). Bei einer Gegendruckturbine wird nach der Turbine der Dampf komplett einem Wärmeübertrager zugeführt und zur Bereitstellung von Wärme (oft für ein Fernwärmenetz) genutzt. Der Dampf kondensiert in dem Wärmeübertrager volls tändig aus, so dass der Kreislauf geschlossen ist. Alternativ kann auch schon ein Teil des Dampfes zwischen den einzelnen Druckstufen (Bezeichnung dann als Entnahme- Gegendruckturbine) entnommen werden. In beiden Fällen steigt bei Erhöhung der elektrischen Leistung die entkoppelte thermische Leistung nahezu im gleichen Maße. Im P-Q-Diagramm ergibt sich daher ein annähernd linearer Kurvenverlauf. Um dennoch eine gewisse Flexibilität der Fahrweise zu erreichen, können Hilfs kühler zum Einsatz kommen. Bei einer Entnahme-Kondensationsturbine hingegen kann der Dampf flexibel auf die Kondensatoren verteilt werden. In gewissen Grenzen erfolgt so eine Entkopplung der

17 17 Handbuch FreeOpt Wärmeabgabe und der Stromproduktion. Prinzipiell kann im Vergleich zu Gegendruckturbinen eine höhere Stromausbeute erreicht werden, da der Druck nach der Turbine niedriger ist. Im P-Q-Diagramm ergibt sich kein Kurvenverlauf, sondern vielmehr eine Fläche. Alle Betriebspunkte innerhalb dieser können durch die Anlage realisiert werden. Ein solches Kennlinienfeld ist in Bild 13 dargestellt. Bild 12 aus /Icking 94/: Kennlinienfeld einer Entnahme-Kondensationsturbine Dabei wird der Betriebsbereich durch folgende Punkte eingegrenzt: 1. Minimale Dampferzeugerleistung bzw. minimale Frischdampfmenge 2. Minimale Generatorleistung 3. Gegendrucklinie 4. Maximale Heizleis tung 5. Maximale Dampferzeugerleistung bzw. maximale Frischdampfmenge 6. Maximale Generatorleistung 7. Durch die Schluckfähigkeit der Niederdruckturbine begrenzte elektrische Leistung 8. Minimale Heizleis tung Die rot eingezeichneten Linien sind Betriebspunkte mit jeweils konstantem Brennstoffverbrauch. Weitere Informationen finden sich in /Schüller 99/ und /Zahoransky 07/.

18 18 Handbuch FreeOpt 4.4 Heizwerke und Heizkessel Heizwerke und Heizkessel dienen ausschließlich der Bereitstellung thermischer Energie. Der Hauptunterschied liegt in der Leistung. Während Heizkessel im unteren Leistungsbereich von wenigen kw bis zu wenigen MW angesiedelt sind, können Heizwerke thermischen Leistungen von über 25 MW bereitstellen. Außerdem wird bei Heizkesseln mitunter die gewonnene Wärme direkt in das Wärmenetz eingespeist - sonst erfolgt wie bei den Heizwerken eine indirekte Einspeisung über Wärmeübertrager. Das Blockschaltbild eines Heizwerkes ist in Bild 14 abgebildet. Brennstoff Heizkessel Wärmeübertrager Speisewasserpumpe Bild 13 Blocks chaltbild Heizw erk In Heizwerken und kesseln kommen eine Vielzahl von Brennstoffen zur Verwendung und die Erzeuger werden heutzutage oftmals nur als Reserve- und Spitzenlastanlage verwendet. Vereinzelt versorgen sie auch kleinere Wärmenetze. Im Allgemeinen werden sehr hohe Brennstoffnutzungsgrade von über 90% erreicht. 4.5 Solarthermische Anlagen Solarthermie ist die Transformation der Sonnenstrahlung in nutzbare Wärme. Dies geschieht mit Hilfe von thermischen Solarkollektoren, w elche die kurzw ellige Sonnenstrahlung durch einen Absorber aufnehmen und in langwellige Wärmestrahlung umwandeln. Eine ausführliche Beschreibung der physikalischen Zusammenhänge der Solarstrahlung und solarthermischer Anlagen findet sich in /Groß 09/. Alle Kollektoren funktionieren nach dem gleichen Prinzip: Kurzwellige Sonnenstrahlung (sichtbares Licht) trifft auf den Kollektor, der dort befindliche Absorber (meist eine schwarze Platte aus Metall oder Kunststoff) nimmt einen Teil der Strahlung auf und wandelt diese in langweilige Infrarotstrahlung, also innere Energie um und gibt diese an einen ihn durchfließenden Wärmeträger (z.b. Wasser) ab.

19 19 Handbuch FreeOpt Kollektoren können in zwei Gruppen eingeteilt werden: konzentrierende Kollektoren und nicht konzentrierende Kollektoren. Erstgenannte wie in Bild 15 benötigen direkte Strahlung, so dass diese Anlagen in der Regel der Sonne hin nachgeführt werden müssen. Dies kann einachsig (z.b. Paraboltrog, Hohlspiegel) oder zweiachsig erfolgen (z.b. Paraboloidspiegel, Heliostatenfeld). Eine andere Möglichkeit sind feststehende Flach- oder Hohlspiegel. Bild 14 Konzentrierender Kollektor Wirtschaftlich sind derartige Anlagen nur in sonnenreichen Gebieten. Nicht konzentrierende Kollektoren, wie in Bild 15 dargestellt, kommen hingegen auch mit diffuser Strahlung aus. Hierbei gibt es eine Vielzahl verschiedener Typen. Neben Einfachabsorbern ohne weitere Apparatur, wie sie z.b. in Schwimmbädern eingesetzt werden, sind vor allem zwei Typen weit verbreitet: die Flachkollektoren und die Vakuumröhrenkollektoren. Bei Flachkollektoren sind die ebenen, zur Sonne ausgerichteten Absorberflächen in einem Gehäuse mit transparenter Abdeckung angebracht, was die Wärmeverluste verringert (Bild 16).

20 20 Handbuch FreeOpt Bild 15 Flachkollektor Bei Vakuumröhrenkollektoren (siehe Bild 17) befinden sich die Absorber innerhalb evakuierter Röhren, was im Vergleich zu den Flachkollektoren eine noch bessere Isolierung mit sich bringt. Auch können so höhere Temperaturen erreicht werden. Bild 16 Vakuum-Röhrenkollektor All diese vorgestellten nicht konzentrierenden Kollektoren gehören zu der Gruppe der Flüssigkeitskollektoren, d.h. der Wärmeträger ist eine Flüssigkeit. Eine Alternative sind Luftkollektoren mit Luft als Wärmeträger (z.b. Ein-Pass-Luft kollektor, Zwei-Pass- Luftkollektor). Welcher Anteil der auf die Solaranlage treffende Strahlung in den Absorber gelangt, hängt von dem Aufbau und den optischen Eigenschaften der einzelnen Komponenten ab. Als Kenngröße wird ein allgemeiner Wirkungsgrad angegeben, der als optischer Wirkungsgrad oder auch Konversionsfaktor η 0 bezeichnet wird. Konversionsfaktoren liegen im Bereich von 0,55 bis 0,95. Um möglichst hohe optische Wirkungsgrade zu erreichen, müssen die Flächen optimal ausgerichtet sein, was stets an eine Bedingung geknüpft ist. Typischerweise soll der Jahresertrag maximiert werden,