Dynamische Entwurfsoptimierung eines KWK- Systems Vergleichende Analyse von thermischen Speichern und Nahwärmeleitung Karlsruher Institut für Technologie Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse VDI-Expertenforum Wie smart managen wir Energie wirklich? 2013-03-19/20 1
Motivation Strommix 2050 nach BMU Langfristszenarien 2011: 21 % aus KWK nur 4 % aus regelbaren Kraftwerken 67 % dargebotsabhängige, volatile regenerative Energien Thermische Speicher: Entkopplung von Stromproduktion und Wärmebedarf Wärmenetze: höhere thermische Gesamtlast des KWK-Systems niedrigere spezifische Investitionskosten höherer elektrischer Wirkungsgrad VDI-Expertenforum 2013-03-05 2
Motivation Forschungsfragen Sind Wärmespeicher und Nahwärmeleitungen konkurrierende oder sich ergänzende Systeme? Wie beeinflussen die beiden Technologien den optimalen Systementwurf und die Fahrweise des gesamten Energiesystems? Was bedeutet dies für ein zukünftiges Energiesystem mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien? Inwieweit unterscheidet sich der wirtschaftlichste Systementwurf von einem mit stärkerem Fokus auf die Vermeidung von CO 2 -Emissionen? VDI-Expertenforum 2013-03-05 3
Gliederung 1. Modellierung des Energiesystems 2. Rechenzeit und Versuchsaufbau 3. Ergebnisse der Optimierungsrechnung 4. Fazit VDI-Expertenforum 2013-03-05 4
Das mathematische Optimierungsmodell gemeinsame Optimierung sowohl des Systementwurfs als auch des Betriebs gemischt-ganzzahlige lineares Modell zeitliche Auflösung von 4 Stunden und Betrachtung eines kompletten Kalenderjahres drei Standorte mit 1 MW, 2 MW und 3 MW thermischer Maximallast Wärmebedarf muss in jedem Zeitintervall gedeckt sein Strom wird am Spotmarkt der Leipziger EEX verkauft VDI-Expertenforum 2013-03-05 5
Energieflussbild eines Standortes Kapazität aller Komponenten vom Solver wählbar Modellierung durch ein lineares Gleichungssystem VDI-Expertenforum 2013-03-05 6
Zielfunktion Multikriterielle Optimierung zwischen Gewinn und Treibhausgasemission: VDI-Expertenforum 2013-03-05 7
Rechenzeit und Versuchsaufbau Hohe durchschnittliche Rechendauer von 24 h sollte nicht überschritten werden Daher: Zeitintervalle von 4 Stunden Relaxierung der Modellierung der maximalen Motorleistung Nur drei Knotenpunkte Drei Szenarien wurden erstellt: 1. Motoren, Heißwassererzeuger, Verbindungsleitungen, thermische Speicher 2. Motoren, Heißwassererzeuger, Verbindungsleitungen 3. Motoren, Heißwassererzeuger VDI-Expertenforum 2013-03-05 8
Ergebnisse der Optimierungsrechnung Ergebnis für Szenario 1: Speicher mit 200 300 m³ pro Standort keine Verbindungsleitungen fast monovalenter Betrieb der KWK-Anlage Ergebnis für Szenario 2: 1. Verbindungsleitung zwischen größtem und kleinsten Verbraucher bei rein ökonomischer Optimierung (α = 1) 2. Verbindungsleitung zwischen größtem und mittlerem Verbraucher bei multikriterieller Optimierung (α = 0,8) VDI-Expertenforum 2013-03-05 9
Wärmekosten und Emissionen Szenario mit Speichern in beiden Kriterien am besten Gleiche Kosten in Szenarien 2 und 3, aber in Szenario 2 CO 2 -Emission um 20 kg/mwh th geringer VDI-Expertenforum 2013-03-05 10
Auslegung der Motoren mit abnehmendem Gewichtungsfaktor steigt die Motorgröße und gleichzeitig sinken die Volllaststunden Trotz höchster Anzahl an Volllaststunden ist Szenario 2 nicht am wirtschaftlichsten VDI-Expertenforum 2013-03-05 11
Sensitivitätsanalyse der Investitionskosten Speicher f SP f L i V i SP,max Tabelle zeigt Faktorkombinationen, bei denen gerade eine Verbindungsleitung rentabel ist Leitungsbau Faktor f L sehr klein, entspricht Entfernung von 200-300 m Verbindungsleitung führt vom kleinsten zum größten Verbraucher d max [-] [-] [ /kwh th ] [ /m³] [ /kw th ] [cm] 1,0 0,40 4,065 236 702 85,50 4,116 1,5 0,50 6,632 385 473 100,65 4,206 2,0 0,50 9,354 543 383 94,28 4,312 2,5 0,55 11,937 693 357 103,73 4,312 3,0 0,62 15,023 872 308 117,43 4,305 f: Skalierungsfaktor SP: Speicher L: Verbindungsleitung V: Speichervolumen d: Rohrdurchmesser VDI-Expertenforum 2013-03-05 12
Fazit Positive Effekte von Verbindungsleitungen können nicht mit thermischen Speichern konkurrieren Durch Speicher kann eine geringe Korrelation (0,67) zwischen Stromproduktion und Wärmebedarf realisiert werden Emissionseinsparung im Szenario mit Verbindungsleitungen im Vergleich zur Versorgung von Einzelstandorten doppelt so hoch Einfluss der angewandten Technologie entscheidend für die Auslegung der Motoren VDI-Expertenforum 2013-03-05 13
Rückfragen und Anregungen Kontakt: - andreas-g.rieder@kit.edu Karlsruher Institut für Technologie (KIT) Institut für Technikfolgenabschätzung und Systemanalyse (ITAS) VDI-Expertenforum 2013-03-05 14
Anhang: Ergebnisse Vermeidungskosten Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Gewichtung α Vermeidungs ΔM [t CO2 ] Vermeidungskosten[ /tkosten[ /t] ΔM [t CO2 ] Vermeidungs- ΔM [t CO2 ] -kosten[ /t] 0,8 21,83 36,95 54,51 739,37 56,45 589,54 0,5 42,61 69,40 84,66 817,82 186,74 757,06 Korrelationskoeffizienten Szenario 1 Szenario 2 Szenario 3 Korrelation α = 1,0 α = 0,8 α = 1,0 α = 0,8 α = 1,0 α = 0,8 Q D - P CHP 0,665 0,646 0,925 0,986 0,922 0,997 P CHP - p el 0,544 0,552 0,403 0,291 0,383 0,267 Q D - p el 0,260 Q D - T amb -0,887 p el - T amb -0,169 VDI-Expertenforum 2013-03-05 15
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