Gekoppelte Struktur- und Betriebsoptimierung mit. soptimo

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1 Symposium Integrale Planung und Simulation in Bauphysik und Gebäudetechnik März 2012 an der Technischen Universität Dresden Institut für Bauklimatik Gekoppelte Struktur- und Betriebsoptimierung mit TOP-Energy - Vorläufige Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt soptimo Stefan Kirschbaum Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.v. (GFaI), Berlin kirschbaum@gfai.de

2 soptimo Strukturoptimierung von Energieversorgungssystemen - am Beispiel von Industrieparks Entwicklung eines mathematischen Verfahrens zur Strukturoptimierung Modellierung der relevanten technischen Komponenten Implementierung eines Softwaresystems zur Beschreibung der Aufgabenstellung Entwicklung von Verfahren zur Reduktion der mathematischen Komplexität G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 2

3 soptimo - Projektidee Ausgangssituation Planung von verteilten Energiesystemen ist aufgrund der großen Vielzahl von Varianten sehr zeitaufwendig Ziel Vorteilsfreie Planung und Auslegung von Energiesystemen Schnelle automatische Bewertung sehr vieler künstlich generierter Energiesysteme Multikriterielle Optimierung ermöglicht Abwägung verschiedener Zielkriterien Abwägung von zentralen/dezentralen Versorgungsvarianten durch Optimierung der Topographie G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 3

4 soptimo - Projektidee Methodik Optimierung der Struktur mit Hilfe evolutionärer Algorithmen (AE) Basierend auf einer Superstruktur Superstrukturfreier Ansatz Optimierung der Betriebsweise durch gemischt ganzzahlig lineare Programmierung (GFaI) Optimierung des Topographie (GFaI) (Lineare) Modellierung technischer h Komponenten mit den zugehörigen Optimierungsparametern (LTT) Kompression der Lastgänge (perpendo) G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 4

5 Einordnung des Werkzeugs G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 5

6 Einordnung des Werkzeugs G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 6

7 soptimo - Eingabedaten Lastgänge für verschiedene Verbraucher Randbedingungen g (Temperaturgrenzen, etc.) Ist-Fall Energiesystemstruktur Ist-Fall Topographie Technologiedatenbank einsetzbarer Komponenten G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 7

8 soptimo - Ausgabedaten Menge optimaler Strukturvarianten des Energiesystems Topographie p für jede Variante Auslegungsgrößen der einzelnen Komponenten (Nennleistungen, Auslegungstemperaturen, g etc.) Verschiedene Bewertungskriterien der einzelnen Varianten (Investitionskosten, Betriebskosten, Kapitalwert, CO2-Emissionen, ggfs. Flexibilität) G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 8

9 Das TOP-Energy Framework Standard Windows GUI Erweiterbar durch neue Software-Module Erweiterbar durch neue Komponentenmodelle Darstellung als Flussschema Diagramgenerator Generische Formularbeschreibung Zeitreiheneditor G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 9

13 Das TOP-Energy Framework Erstellung neuer Komponenten und Module als Systemeinrichter Definition der einzelnen Datentypen mit Bedeutung und Einheit Durchgängige Behandlung von Einheiten G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 13

14 Das TOP-Energy Framework ForGE Framework for Graph-based Engineering Systems ELADO utilities xml I/O layout abstract configuration engine model plug in CTL TOM layout QuickBus appl. co omponents forms, ed itors, element management special model modules simulation modu ule calcul ator MOCA eng gineering func ctionality ETL G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 14

15 TOP-Energy Module entry G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 15

16 TOP-Energy Module entry esim G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 16

17 TOP-Energy Module entry esim evariant evaluate G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 17

18 TOP-Energy Module entry esim evariant evaluate Zeitreiheneditor G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 18

19 Modellierung in soptimo Projekt- Explorer Fließschema- Editor drag & drop Komponentenbibliothek G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 19

20 Modellierung in soptimo G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 20

21 Modellierung in soptimo G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 21

22 Modellierung Topographie G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 22

23 Modellierung Topographie G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 23

24 Ergebnis Strukturoptimierung nergie Primären Gesamtkosten G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 24

25 Kombinierte Struktur- und Betriebsoptimierung Evolutionär Superstruktur Evolutionär Strukturmutation GGP-Solver Superstruktur Vorgabe einer Vorgabe der Vorgabe einer Superstruktur durch den Technologiedatenbank Superstruktur durch den Anwender und einer Struktur Anwender Optimierung der Anlagengrößen in der Superstruktur durch Generierung und Optimierung von Strukturen und Optimierung der Anlagengrößen in der Superstruktur durch evolutionären Optimierer Anlagengrößen (EA) GGLP-Solver Optimierung des Optimierung des Optimierung des Betriebs durch GGLP- Betriebs einer konkreten Betriebs einer konkreten Solver (CPLEX) Struktur durch GGLP- Struktur durch GGLP- Solver (COIN-OR) Solver (COIN-OR) Strukturoptimierung mehrkriteriell Betriebsoptimierung einkriteriell it i Strukturoptimierung mehrkriteriell Betriebsoptimierung einkriteriell it i Einkriteriell G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 25

26 Kombinierte Struktur- und Betriebsoptimierung Evolutionär Superstruktur Evolutionär Strukturmutation GGP-Solver Superstruktur Vorgabe einer Vorgabe der Vorgabe einer Superstruktur durch den Technologiedatenbank Superstruktur durch den Anwender Anwender Optimierung der Anlagengrößen in der Superstruktur durch Generierung und Optimierung von Strukturen und Optimierung der Anlagengrößen in der Superstruktur durch evolutionären Optimierer Anlagengrößen (EA) GGLP-Solver Optimierung des Optimierung des Optimierung des Betriebs durch GGLP- Betriebs einer konkreten Betriebs einer konkreten Solver (CPLEX) Struktur durch GGLP- Struktur durch GGLP- Solver (COIN-OR) Solver (COIN-OR) Strukturoptimierung mehrkriteriell Betriebsoptimierung einkriteriell it i Strukturoptimierung mehrkriteriell Betriebsoptimierung einkriteriell it i Einkriteriell G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 26

27 Gesamtsystem Optimierung Ist-Fall Varianten Nutzerinteraktion + Ausgabe Zwischenergebnisse Lösungen Bewertung Routing & Placing Algorithmen Struktur- und Parameteroptimierung Struktur- vorschlag Parametervorschlag Betriebsoptimierung G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 27

31 Kombinierte Struktur- und Betriebsoptimierung Evolutionär Superstruktur Evolutionär Strukturmutation GGP-Solver Superstruktur Vorgabe einer Vorgabe der Vorgabe einer Superstruktur durch den Technologiedatenbank Superstruktur durch den Anwender Anwender Optimierung der Anlagengrößen in der Superstruktur durch Generierung und Optimierung von Strukturen und Optimierung der Anlagengrößen in der Superstruktur durch evolutionären Optimierer Anlagengrößen (EA) GGLP-Solver Optimierung des Optimierung des Optimierung des Betriebs durch GGLP- Betriebs einer konkreten Betriebs einer konkreten Solver (CPLEX) Struktur durch GGLP- Struktur durch GGLP- Solver (COIN-OR) Solver (COIN-OR) Strukturoptimierung mehrkriteriell Betriebsoptimierung einkriteriell it i Strukturoptimierung mehrkriteriell Betriebsoptimierung einkriteriell it i Einkriteriell G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 31

32 Gesamtsystem Optimierung Ist-Fall Lösung Gekoppelte Struktur- und Betriebsoptimierung G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 32

33 Gesamtsystem Optimierung Varianten Ist-Fall Nutzerinteraktion + Ausgabe Zwischenergebnisse Lösungen Lösung Gekoppelte Struktur- und Betriebsoptimierung Routing & Placing Algorithmen G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 33

34 Erste Optimierungsergebnisse Kapitalwert Betrachtungsdauer: 10 a interner Zinssatz: 8 % verfügbare Technologien Kessel MHKWs KKMs AbKMs liegen in diskreten Größen - Modellierung Massen-/Energiebilanzen (Qualitätsniveaus fix) Kosten und Wirkunsgrade Investitionen Nenn-Wirkungsgrade Betriebs-Wirkungsgrade G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 34

35 Erste Optimierungsergebnisse KWKK KWK G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 35

36 Erste Optimierungsergebnisse G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 36

37 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.v. Volmerstraße Berlin-Adlershof Tel./Fax: / info@gfai.de Internet: Ansprechpartner: Stefan Kirschbaum kirschbaum@gfai.de G. Wrobel - Modellgetriebene Entwicklung von Softwaresystemen in der Energietechnik 37