Modellierung eines industriellen hybriden Energiesystems unter Einbeziehung dezentraler Energieerzeugung und speicherung

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1 W I S S E N T E C H N I K L E I D E N S C H A F T Modellierung eines industriellen hybriden Energiesystems unter Einbeziehung dezentraler Energieerzeugung und speicherung IEWT 27 Mike Alexander LAGLER (TU Graz) Co-Autoren Ernst SCHMAUTZER (TU Graz), Michael GROBBAUER, Julia GRATZER (SFL Technologies GmbH.), Guido Manfred MICHTNER (Siemens AG Österreich) Technische Universität Graz Institut für Elektrische Anlagen u

2 2 IEWT 27 Gliederung Motivation und Ziele Industriebetrieb Hybrides Energiesystem Modellierung der Systemkomponenten Methodik der Optimierung Zusammenfassung / Ausblick

3 3 IEWT 27 Motivation Forschungsprojekt: Regelungsstrategien zur Effizienzsteigerung komplexer hybrider Energiesysteme (REsys) Verstärkter Einsatz von dezentralen Energieerzeugungsanlagen für Strom und Wärme Tages- und jahreszeitlich stark fluktuierende Strom-, Wärmeund Kälteerzeugung Einsatz von Energiespeichern bzw. Lastmanagement Sinnvolle Kopplung von thermischen und elektrischen Systemen zu einem hybriden Gesamtsystem

4 4 IEWT 27 Ziele () Erstellung hybrides Simulationsmodell in MATLAB Für einen realen Industriebetrieb Koppelung des thermischen und elektrischen Systems zu einem hybriden System Übertragbarkeit auf andere Systeme Modellierung der elektrischen Systemkomponenten Industrieprozesse Stromspeicher Photovoltaikanlage Szenarienbasierte Optimierung des Industriebetriebes Methodik

5 5 IEWT 27 Ziele (2) Ziele für weiterführende Arbeiten: Modellierung der thermischen Systemkomponenten Solarthermieanlage, Pufferspeicher, Szenarienbasierte Optimierung des Industriebetriebes Auf Basis unterschiedlicher Entscheidungskriterien, sowie Strategien und Verbesserungsmöglichkeiten für den industriellen Prozess und des Energiemanagements identifizieren

6 6 IEWT 27 Industriebetrieb - Hybrides Energiesystem () Elektrisches System Historisch bedingt zwei Teilsysteme im betrachteten Industriebetrieb Über das öffentliche Stromnetz verbundener ext. Standort

7 7 IEWT 27 Industriebetrieb - Hybrides Energiesystem (2) Thermisches System Ein gemeinsames thermisches System Solarthermieanlage zur Regeneration des Erdsondenfeldes

8 8 IEWT 27 Industriebetrieb - Hybrides Energiesystem (3) Koppelung zu einem hybriden Gesamtsystem Wärmepumpen, Pufferspeicher (Heizpatronen) und Lüftungsanlagen

9 9 IEWT 27 Industrieprozesse () Keine vollständige Datenerfassung des Industriebetriebes zu Beginn des Projektes vorhanden Erstellung notwendiger Lastprofile für verschiedene Verbrauchergruppen Grundlegende Simulationen bis ausreichende elektrische Messdaten zur Verfügung stehen Erfassung Lastprofil des Industriebetriebes durch Standortbegehung Erfassung der relevanten Verbraucher Büro, Beleuchtung, Maschinen, etc. Einzelmessungen an ausgewählte Lasten vorort Einbindung von Mitarbeiterinformationen betreffend Lastgang und Prozess Betriebszeiten, Einsatzzeiten der Maschinen und Anlagenteile

10 IEWT 27 Industrieprozesse (2) ) Erstellung von Einzel-Lastprofilen der Maschinen, Anlagen sowie anderer Verbraucher 2) Ermittlung des Summenlastprofils durch Addition aller Einzel-Lastprofile

11 IEWT 27 Industrieprozesse (3) 3) Berechnung der Gleichzeitigkeitsfaktoren durch Verwendung der Nennlasten und realer Messdaten 4) Anwendung der ermittelten Gleichzeitigkeitsfaktoren auf Lastprofile

12 2 IEWT 27 Stromspeicher () Einsatz von Stromspeichern am Industriestandort Speicherung der erzeugten elektrischen Energie (PV) Großer stationärer Speicher Mehrere kleine mobile Speicher (Elektromobilität) Modellierung Stromspeicher Einfaches Stromspeicher-Modell Lade- und Entladevorgang mit Berücksichtigung von Verlusten

13 3 IEWT 27 Stromspeicher (2) Berücksichtigung der kalendarischen Lebensdauer und der Lebensdauerverringerung durch Lade- und Entladevorgänge Ende der Nutzungsdauer (EoL End of Life) bei einer möglichen Speicherkapazität von 7 8 % limitiert Abschätzung der Verringerung der Speicherkapazität D Kumulativgesetz von Palmgren-Miner N n D= i N i= i n i N i DOD Anzahl der Zyklen bei DOD i Lebenszyklusfestigkeit bei DOD i Entladungstiefe (Depth of Discharge)

14 4 IEWT 27 Stromspeicher (3) Abschätzung der Verringerung der Speicherkapazität D ) Zählung der Ladezyklen mittels Rainflow-Zählung Anzahl der Ladezyklen, Voll- und Halbzyklen und Periodendauer 2) Lebenszyklusfestigkeitskurve vom Hersteller bereitgestellt Anzahl der Zyklen Entladungstiefe [%] Quelle: Saft Batteries

15 5 IEWT 27 Methodik Optimierung () Szenarienbasierte Optimierung des hybriden Energiesystems Linearer Optimierungsalgorithmus (z.b. Simplexmethode) X A eq b eq Systemvariablen Koeffizientenmatrix Spaltenvektor Lösung für Systemvariablen, so dass f T X minimal wird Zeitliche Auflösung: 5-minütlich oder stündlich Simulationszeitraum: min. Jahr

16 6 IEWT 27 Methodik Optimierung (2) Technische Entscheidungskriterien: Optimale Nutzung der erzeugten erneuerbaren Energie für Strom und Wärme Optimaler Autonomiegrad/Eigenbedarfsdeckungsgrad Optimaler Wirkungsgrad der betrachteten Systemkomponenten Wirtschaftliche Entscheidungskriterien: Betriebskosten der thermischen und elektrischen Netzanbindung Investitions- und Betriebskosten der Systemkomponenten Zeitlich gestaffelte variable Ein- und Verkaufspreise für thermische und elektrische Energie Ökologische Entscheidungskriterien: CO2-Äuivalenz der Systemkomponenten sowie des Betriebes

17 7 IEWT 27 Methodik Optimierung (3) Beispiel: Elektrisches Teilsystem (schematisches Model) Lineare Nebenbedingungen Allgemein: Knoten 2: A eq X = b eq -X3 + X6 + X9 + X - X - X2 - X3 - X4 = P el

18 IEWT 27 Beispiel: Elektrisches Teilsystem (schematisches Model) Die Systemmatrix A eq repräsentiert die Verbindung der Komponenten untereinander Dieses Modell ist universell erweiterbar Anwendung der Methodik auf das gesamte hybride Energiesystem erhöhte Komplexität der Systembeschreibung Methodik Optimierung (4) mob ist ist stat el eq W W P X X X X A,,

19 9 IEWT 27 Zusammenfassung Modellierung der elektrischen Systemkomponenten abgeschlossen Stromspeicher Photovoltaikanlage Industrieprozesse Methodik des hybriden Simulationsmodelles ist aufgestellt und getestet Technische, wirtschaftliche oder ökologische Entscheidungskriterien Durch Szenarienrechnungen können Auswirkungen von Veränderungen dargestellt werden

20 2 IEWT 27 Ausblick Vervollständigung des Simulationsmodells zur vollständigen Nachbildung des Industriebetriebes (Betrieb, PV, Wärmespeicher, Klima, Handel) Speicherbefüllung in Abhängigkeit und unter Berücksichtigung des zukünftigen Wetters (Lastgang über mehrere Jahre) Einbindung der Wettervorhersage Verwendung von weiteren (z.b. nichtlinearen) Optimierungsalgorithmen Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert und im Rahmen des Energieforschungsprogramms 25 durchgeführt

21 2 W I S S E N T E C H N I K L E I D E N S C H A F T Modellierung eines industriellen hybriden Energiesystems unter Einbeziehung dezentraler Energieerzeugung und -speicherung IEWT 27 Mike Alexander LAGLER Ernst SCHMAUTZER, Michael Grobbauer, Julia Gratzer, Guido Manfed Michtner Technische Universität Graz Institut für Elektrische Anlagen Inffeldgasse 8-I / A-8 Graz Fax.:++43/()36 / Tel.:++43/()36 / lagler@tugraz.at u