Beitrag der RWTH Aachen
In der Planungsphase von Wärmesystemen sind Optimierungsmodelle auf der Grundlage mathematischer Programmierung ein weit verbreiteter Ansatz. Die meisten Optimierungsmodelle ermitteln die optimale Auslegung des Energiesystems auf der Grundlage eines einzigen repräsentativen Jahres. Dieser Ansatz ist jedoch nicht in der Lage, sich ändernde wirtschaftliche und technische Randbedingungen während der Lebensdauer des Systems zu berücksichtigen. Infolgedessen sind diese Ein-Perioden-Modelle unzureichend für Quartiere mit Wärme- und Kältenetzen der 5. Generation (5GDHC), die typischerweise über lange Zeiträume entwickelt und in mehreren Bauphasen errichtet werden. In diesem Beitrag stellen wir zwei mehrperiodige Optimierungsansätze für die Planung von 5GDHC-Quartieren vor: Bei dem ersten Ansatz handelt es sich um ein zukunftsorientiertes Modell, welches den optimalen Investitionspfad unter Verwendung einer perfekten Voraussicht zukünftiger Entwicklungen der Einflussgrößen bestimmt. Im zweiten Ansatz wird ein Ein-Perioden-Modell wiederholt für jede Investitionsperiode ohne Kenntnis der zukünftigen Entwicklung der Einflussgrößen gelöst. Beide Ansätze werden mit einem Ein-Perioden-Modell für ein reales 5GDHC-Quartier in Deutschland verglichen. Im Vergleich zu einem einperiodigen Planungsansatz führt die vorausschauende Methode zu Gesamtkosteneinsparungen von bis zu 17 % und die sequenzielle Methode von bis zu 11 %. Durch die Verwendung eines vorausschauenden Modells werden gasbetriebene Technologien kleiner dimensioniert, während die Kapazität von strombetriebenen Technologien in der Energiezentrale sowie von Photovoltaikmodulen und thermischen Energiespeichern in Gebäuden im Vergleich zu einem Ein-Perioden-Modell steigt. Die Fallstudie zeigt, dass ein mehrperiodiger Modellierungsansatz eine wichtige Ergänzung zu Design-Optimierungsmodellen für 5GDHC-Netze darstellt und einen erheblichen Einfluss auf das optimale Design haben kann.