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Kurztitel: DYNEEF
Förderkennzeichen: 03ET1346
Status: Laufend
Laufzeit: 11/2015 bis 10/2018
Themen: Wärmenetze & Kältenetze, Betriebsführung & Energiemanagement, Lastmanagement, Modellierung & Simulation, Betriebsoptimierung
Standort: 69181 Leimen, Ferdinand-Porsche-Str. 4a
Innovation: Integrative Koppelung verschiedener Ansätze zur Betriebssteuerung und -optimierung von Fernheizkraftwerken. Lokal hochaufgelöste thermohydraulische Netzmodelle berücksichtigen Einflüsse schwankender Betriebsparameter.
Schlagworte:

Quintessenz

  • Neue Methoden und Software für effizientere Betriebsabläufe von Fernwärme-Heizkraftwerken
  • Zeitlich und lokal hochaufgelöste Simulation von Wärmebedarfen zur bedarfsorientierten Optimierung der Betriebssteuerung von Fernheizkraftwerken
  • Statt üblicher Einsatzoptimierung lokaler Betriebsmittel soll die gesamte Komplexität und zeitliche Dynamik des Fernwärmenetz-Betriebs berücksichtigt werden
  • Ausgewählte kleinere Insel- und Teilnetze wurden bereits mathematisch modelliert, die Simulationsergebnisse dieser Testmodelle validiert
  • Nächster Schritt ist die Anwendung auf das gesamte Fernwärmenetz der Technischen Werke Ludwigshafen

Ziel des Forschungsprojekts ist es, die Effizienz der Betriebsabläufe von Fernwärme-Heizkraftwerken (FHKW) hinsichtlich ökologischer und ökonomischer Aspekte nachhaltig zu verbessern. Dabei werden neue Methoden und Software entwickelt, die Fernwärmenetze in ihrer gesamten Komplexität und zeitlichen Dynamik in die Betriebssteuerung einbeziehen. Eine Echtzeit-Simulation soll helfen, die verfügbaren Anlagen und Betriebsmittel bei schwankenden Bedarfssituationen jederzeit optimal einzusetzen und möglichst ressourcenschonend zu betreiben. Nach einer mathematischen Modellierung kleinerer Insel- und Teilnetze sollen die im Projekt erarbeiteten Testmodelle nun auf das gesamte Fernwärmenetz der TWL angewandt werden.

Projektkontext

Gegenwärtige Werkzeuge zur Betriebsunterstützung von FHKW beschäftigen sich vorrangig mit der Einsatzoptimierung lokaler Betriebsmittel. Das Fernwärmenetz wird dabei isoliert als eine strukturlose Wärmesenke behandelt. Für eine Auslegung der Leitungsnetze kommen dagegen räumlich hochaufgelöste thermohydraulische Modelle zum Einsatz, die spezifische Lastfälle statisch betrachten, ohne dabei schwankende Einflüsse wechselwirkender Randbedingungen zu berücksichtigen. Eine bedarfsorientierte Optimierung der Betriebssteuerung ist damit derzeit nicht möglich.

Angesichts zunehmend volatilerer Strompreise beim Einsatz von KWK-Anlagen ist es betriebswirtschaftlich erforderlich, die Stromerzeugung zeitlich vom Wärmebedarf zu entkoppeln. Eine solche Entkoppelung eröffnet Fernwärmeversorgern andererseits die Möglichkeit, ihre Leitungsnetze kontrolliert als Energiespeicher zu nutzen. Damit kann schließlich auch dem Strommarkt mittels Power-to-Heat-Konzepten ein beträchtliches Potenzial negativer Regelleistung verfügbar gemacht werden.

Am Forschungsprojekt DYNEEF sind folgende Institutionen beteiligt:
Die GEF Ingenieur AG verantwortet die Energiesystemmodellierung, die Auslegung und Berechnung von Fernwärmenetzen und Erzeugeranlangen sowie thermohydraulische Fernwärmenetzmodelle, Potenzial- und Wirtschaftlichkeitsanalysen und die Vermarktung. Das Fraunhofer ITWM beschäftigt sich mit der mathematischen Modellierung (Dynamisches Netzmodell), der parametrischen Modellreduktion sowie der Software-Implementierung. Als Partner aus der Energiewirtschaft bringen die Technischen Werke Ludwigshafen (TWL AG) ihr Know-how in der Betriebssteuerung von FHKW ein. Zudem verantworten sie die Messung und Bereitstellung der Realdaten und erproben den Software-Prototypen.

Strompreisgeführte KWK-Betriebssteuerung und Verfügung negativer Regelleistung für den Strommarkt mittels Power-to-Heat.

© GEF Ingenieur AG

Weitere Abbildungen

Fernheizkraftwerk der Technischen Werke Ludwigshafen

© TWL AG

Gesamtleistung des FHKW Ludwigshafen

© Fraunhofer ITWM

Forschungsfokus

DYNEEF verfolgt einen integrativen Ansatz, der Fernwärmenetze in ihrer gesamten topologischen Komplexität und zeitlichen Dynamik in die Betriebssteuerung von FHKW einbezieht. Eine Echtzeit-Simulation soll helfen, die verfügbaren Anlagen und Betriebsmittel unter Berücksichtigung schwankender Bedarfssituationen jederzeit optimal einzusetzen und möglichst Ressourcen-schonend zu betreiben. Gleichzeitig wird das Leitungsnetz selbst als steuerbares Element in den Betriebsablauf integriert. Diese ganzheitliche Optimierung erfordert zunächst eine möglichst exakte mathematische Abbildung aller relevanten Systemkomponenten. Da hieraus für die dynamische Kalkulation jedoch bei weitem zu viele Freiheitsgrade resultieren, muss die Komplexität stark vereinfacht werden, ohne messbare Einbußen bei der Prognosequalität zu verursachen. Um diese Herausforderung zu bewältigen, werden mathematische Methoden der parametrischen Modellreduktion eingesetzt.

Dynamische Simulation des Aroma-Netzes „Im Neubruch“ in Ludwigshafen

Dynamische Simulation des Teilnetzes „Im Neubruch“ in Ludwigshafen

© Fraunhofer ITWM

Weitere Abbildungen

Aroma-Netz: Ludwigshafener Teilnetz „Im Neubruch“

© TWL AG

Ergebnisse der optimierten Betriebssteuerung im Aroma-Netz

© Fraunhofer ITWM

Meilensteine und Erfolge

Zunächst wurden kleinere Nahwärme-Inselnetze und Fernwärme-Teilnetze innerhalb des Versorgungsgebiets der Technischen Werke Ludwigshafen mathematisch modelliert sowie mittels parametrischer Modellreduktion vereinfacht und komprimiert. Die Simulationsergebnisse dieser Testmodelle konnten bereits erfolgreich validiert werden. Im nächsten Schritt werden dieselben Methoden nun auf das gesamte Fernwärmenetz in Ludwigshafen angewandt.

Letzte Aktualisierung: 3. August 2017

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