EP3857429A1 - Computer-aided method for simulating the operation of an energy system, and energy management system - Google Patents

Computer-aided method for simulating the operation of an energy system, and energy management system

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Publication number
EP3857429A1
EP3857429A1 EP20703687.2A EP20703687A EP3857429A1 EP 3857429 A1 EP3857429 A1 EP 3857429A1 EP 20703687 A EP20703687 A EP 20703687A EP 3857429 A1 EP3857429 A1 EP 3857429A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy
component
sum
calculating
energy consumption
Prior art date
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Pending
Application number
EP20703687.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sebastian THIEM
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • G06F30/30—Circuit design
    • G06F30/36—Circuit design at the analogue level
    • G06F30/367—Design verification, e.g. using simulation, simulation program with integrated circuit emphasis [SPICE], direct methods or relaxation methods

Definitions

  • the invention relates to a computer-aided method for simulating the operation of an energy system.
  • the simulation enables the most efficient operation of the energy system.
  • the invention further relates to an energy management system for simulating the operation of the energy system.
  • an attempt is made to operate an energy system as efficiently as possible, for example as energetically as possible.
  • the possibilities for optimization are typically limited to the components that are already installed or exist. The existing energy system thus specifies the boundary conditions with regard to optimization.
  • the operation of the energy system is optimized manually.
  • the design of the energy system is redetermined using manual optimization. This is done for example by means of an energy system design method or by means of an energy system design. Incorrect dimensioning, that is to say overdimensioning or undersizing of one of the components of the energy system, cannot be determined subsequently, that is to say for existing or installed energy systems.
  • the object of the present invention is to determine an incorrect dimensioning of a component of an already existing energy system.
  • the object is achieved by a method with the features of independent claim 1 and by an energy management system with the features of independent claim 9.
  • Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the dependent patent claims.
  • the computer-aided method according to the invention for simulating the operation of an energy system with at least one component comprises at least the following steps:
  • the problem of the present invention is solved by formulating a (mathematical) optimization problem based on an energy system design problem of the energy system.
  • the energy system or the operation of the energy system is formulated or modeled as an optimization problem.
  • the variables of the optimization problem are at least the energy Energy uptake and energy output of the component as well as the shadow prices associated with the energy intake and energy output.
  • the values of the variables mentioned are therefore calculated as optimally as possible by solving the optimization problem.
  • the energy consumption, the energy output as well as the shadow prices associated with the energy consumption and energy output are calculated by numerically solving the optimization problem.
  • the existing design of the energy system is taken into account, for example via boundary conditions or additional conditions of the optimization problem.
  • the energy system is typically modeled using a target function of the optimization problem, the target function comprising at least the variables and parameters mentioned.
  • the first and second sum are calculated from the energy consumption, energy output and associated shadow prices calculated by solving the optimization problem (or by means of their calculated values).
  • the first sum is formed by means of the sum of the energy consumption weighted for the associated shadow prices.
  • the second sum is formed from the sum of the energy levies weighted according to the associated shadow prices.
  • the incorrect dimensioning size of the component is calculated at least by subtracting the second sum from the first sum.
  • a subtraction of the first sum from the second sum is also conceivable and equivalent to the present invention.
  • the investment costs and the operating costs of the component are also taken into account.
  • the operating costs and investment costs can be taken into account in such a way that they are added to the first sum, for example.
  • the first sum includes all energy consumption weighted with the associated shadow prices of the component.
  • the operating costs and investment costs can thus also be interpreted as a price-weighted energy consumption.
  • the incorrect dimensioning of the component depends on the difference between the first sum and the second sum, as well as on the operating and investment costs of the component.
  • An incorrect dimensioning of the component that is to say an oversizing or undersizing of the component, can be determined by means of the incorrect dimensioning size.
  • the overdimensioning or underdimensioning of the component is determined based on or as a function of the calculated incorrect dimensioning.
  • An advantage of the method according to the invention is that it can be carried out for already existing energy systems. It can thus be determined whether a component of the energy system is oversized or under-dimensioned under real conditions or boundary conditions within the energy system.
  • a further advantage of the method according to the invention is that it can also be used to determine the best possible design of the component, that is to say a design in which the component is not significantly undersized and not oversized. For example, this is done using a new energy system design. If a component of the energy system includes several units, for example, based on the value of the incorrectly dimensioned size, the addition of an additional unit or the dismantling of one of the installed units can be considered. In other words, based on the value of the incorrect dimensioning size, the component can be enlarged or reduced in terms of its dimensioning, for example its nominal output and / or capacity.
  • the most efficient adjusting screws for one can thus be emblematic optimal operation or the best possible design of the existing energy system.
  • the energy management system according to the invention for simulating the operation of an energy system with at least one component comprises at least
  • the method according to the invention has the same and equivalent advantages of the energy management system according to the invention.
  • the overdimensioning or underdimensioning of the component is determined as a function of the sign of the calculated incorrectly dimensioned quantity.
  • the mis-sizing quantity can have a negative or positive value.
  • the incorrect dimensioning size is determined or determined in such a way that if the value is positive, the dimensioning of the component of the energy system is undersizing and if the value is negative, the dimensioning is undersized.
  • the incorrect dimensioning size can be converted into a large number of mathematically equivalent sizes or expressions.
  • the only decisive factor is that an oversizing or an undersizing of the component can be determined and differentiated based on the incorrect dimensioning size, in particular its sign.
  • the sign of the incorrect dimensioning size is particularly advantageous for this.
  • the component of the energy system is thus optimally designed or dimensioned if the incorrect dimensioning value has the value zero.
  • the incorrect dimensioning variable has a non-zero value, that is to say a positive or negative non-zero value, it is advantageous to dimension the component smaller if the sign of the calculated incorrectly dimensioning variable is positive or larger to be dimensioned if the sign of the calculated incorrect dimensioning quantity is negative.
  • a corresponding inverse behavior is obtained by multiplying the incorrect dimensioning quantity by a negative number, in particular by -1.
  • the operating costs and the investment costs are determined as a function of the nominal power of the component.
  • the nominal power of the component can also be called the capacity of the component and essentially corresponds to the dimensioning of the component.
  • the operating costs and the investment costs of the component depend on its dimensions or capacity.
  • the dimensioning or the capacity of the physically installed that is to say the existing component
  • the operating costs and investment costs of the component depend on its capacity or its nominal output. This dependency is also taken into account when calculating the incorrect dimensioning size. This advantageously ensures that the method relates to the actually installed or existing energy system.
  • the operating costs and investment costs can advantageously be saved using the energy management system.
  • the operating costs and investment costs are known to the energy management system.
  • their value is restricted to the actually installed or existing physical nominal power or capacity of the component by means of a secondary condition.
  • the nominal power which forms a variable of the optimization problem, is limited to its physical value.
  • finding a solution to the optimization problem by means of numerical methods can advantageously be improved, in particular accelerated. In particular, this can save computer resources.
  • vall DT at time n when the jth energy output in
  • Time interval DT at time n as the shadow price associated with the ith energy intake at time n and the shadow price associated with the jth energy output at time n.
  • the first sum is essentially the dot product between the vector formed from the energy consumption with the vector formed from the shadow prices associated with the energy consumption.
  • totaling is carried out over all times or time periods.
  • C in can also be used as
  • T denotes the time range of the optimization (optimization horizon), for example a year, a month or a day (English: day-ahead), and where the vector of energy consumption,
  • the energy consumption and energy deliveries as well as shadow prices are typically time-dependent, that is, a function of t.
  • the operation of the energy system is simulated over a year, over a month and / or over a day.
  • the optimization horizon already mentioned is a year, a month, and / or a day.
  • An optimization horizon of one year is particularly preferred.
  • the year can be further divided into smaller time ranges, for example hours.
  • the energy management system comprises means for recording energy consumption that is past or historical in terms of the calculated energy consumption and energy output and energy output of the component of the energy system.
  • Figure 1 is a circuit diagram of an energy system
  • Figure 2 is a Sankey diagram of the energy system.
  • FIG. 1 shows a circuit diagram of the energy system 1.
  • the components 11, ..., 19 of the energy system 1, the energy requirements 31, 32, 33 (loads) and forms of energy 21, ..., 26 and their dependencies can be seen .
  • the energy system 1 includes, for example, a natural gas network 11, a photovoltaic system 12, a power network 13 for feeding into the energy system 1, a combined heat and power plant 14, a gas boiler 15, a compression refrigerator 16, and a power network 17 Withdrawal from the energy system 1, an absorption refrigerator 18 and a cold store 19. Further components can be provided.
  • the components 11, ..., 19 of the energy system 1 are coupled with regard to their energy consumption and their energy output.
  • natural gas 21 is provided for the combined heat and power plant 14 and the gas boiler 15 by means of the natural gas network 11.
  • the combined heat and power unit 14 and the gas spoiler 15 are operated by means of the natural gas 21.
  • the block The combined heat and power plant 14 and the gas boiler 15 convert the natural gas 21 into electrical energy, that is to say electricity 22, and heat 23.
  • the combined heat and power plant 14 provides electricity 22 and heat 23.
  • the gas boiler 15 provides heat 23.
  • the photovoltaic system 12 and the power grid 13 also provide electrical energy, that is to say electricity 22.
  • the electricity 22 and the heat 23 are used within the energy system by further components.
  • the electrical current 22 is used to cover the electrical load 31, to operate the compression refrigerator 16 and / or to be fed into the power supply 17.
  • the heat 23 provided by the combined heat and power unit 14 and the gas boiler 15 can be used to cover the heat load 32 and / or to operate the absorption refrigerator 18.
  • the cold 24 is provided by means of the compression refrigerator 16 and the absorption refrigerator 18.
  • the cold 24 can be used to cover the cooling requirement 33 or cooling load 33.
  • the cold 24 can be stored or buffered by means of the cold store 19.
  • FIG. 1 thus illustrates the complex dependencies of the components 11,... 19 of the energy system 1 with regard to the energy flows, that is to say with regard to their energy consumption and energy output.
  • the absorption refrigeration machine 18 has the heat 23 provided by the combined heat and power unit 14 and the gas boiler 15 as energy consumption.
  • the absorption refrigerator 18 has the cold 24 as the energy output.
  • the cold 24 can in turn be stored by means of the cold store 19.
  • the present invention makes it possible, for example, to dimension the absorption refrigerator 18, for example its nominal output or capacity. did to optimize their energy consumption, in this case the heat 23, and their energy output, in this case the cold 24. This is done by means of the incorrect dimensioning of the absorption refrigerator 18, by means of which an overdimensioning or an undersizing of the absorption refrigerator 18 can be recognized. From the incorrectly dimensioned size of the absorption refrigerator 18 it can thus be seen whether an enlargement (undersizing of the absorption refrigerator 18) or a reduction (overdimensioning of the absorption refrigerator 18) is advantageous.
  • FIG. 2 shows a Sankey diagram of the energy system 1 after the operation of the energy system 1 has been optimized by means of the method according to the invention or one of its configurations. Annual planning was carried out, that is, the operation of energy system 1 was calculated and optimized for the optimization period of one year in accordance with the present invention. In other words, the optimization horizon is one year.
  • FIG. 2 also shows the same elements as FIG. 1.
  • the components 11, ..., 19 of the energy system 1 are in equilibrium in the solution shown, that is to say they have a value of incorrect dimensioning of zero.
  • the energy consumption or energy output of the components 11,..., 19 of the energy system 1 specified below are purely exemplary and the invention is not restricted to the stated values. The values are only intended to exemplify the energy flows, that is to say the energy inputs and energy outputs, within the energy system 1.
  • the energy consumption and energy output are shown in FIG. 2 by the thickness of the connecting hoses between the Symbolizes elements of Figure 2, for example in the unit megawatt hours per year (MWh / a).
  • each component 11, ..., 19 has a maximum nominal power, for example in the unit kilowatt (kW).
  • the natural gas network 11 provides approximately 2656 MWh / a of energy.
  • the natural gas 21 is converted into heat (approximately 1248 MWh / a) and into electrical energy 22 (approximately 770 MWh / a).
  • the photovoltaic system 12 provides approximately 44 MWh / a and the power grid 13 provides approximately 303 MWh / a of electrical energy 22 (electricity 22).
  • the electricity 22 and the heat 23 are used, for example, to cover the electrical load 31 and / or to operate the compression refrigerator 16 and / or are fed into the electricity network 13.
  • the heat 23 is used, for example, for the heat load 32
  • the waste heat 25 also results here.
  • the compression refrigeration machine 16 and the absorption refrigeration machine 18 provide the refrigeration 24. In this case, approximately 911 MWh / a of cold 24 are provided.
  • the cold 24 can be used to cover the cold load 33 and / or stored or buffered by means of the cold store 19.
  • the cold 26 also results.
  • the present invention therefore enables the optimal operation of an energy management system to be formulated as an energy system design problem, with inefficient components of the energy system using the incorrect dimensions. tion size, in particular on a non-zero value of the incorrect dimensioning size.
  • the method according to the invention and / or one of its refinements for example by means of annual planning and / or several day plans (English: day-ahead), can be used to determine, to check, to avoid incorrect dimensioning of the energy system or one or more of its components

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Abstract

A computer-aided method for simulating the operation of an energy system (1) having at least one component (11,..., 19) is proposed that comprises at least the following steps: - modelling the energy system (1) as an optimization problem, wherein the optimization problem has at least energy consumptions and energy outputs of the component (11,..., 19) and respective shadow prices associated with the energy consumptions and energy outputs as optimization variables; - calculating the energy consumptions, the energy outputs and the respective associated shadow prices by numerically solving the optimization problem; - calculating a first sum by means of a sum of the energy consumptions that is weighted with the associated shadow prices; - calculating a second sum by means of a sum of the energy outputs that is weighted with the associated shadow prices; - calculating an incorrect dimensioning variable for the component (11,..., 19) by subtracting the second sum from the first sum, and by using the investment costs and operating costs of the component (11,…, 19); and - ascertaining an overdimensioning or underdimensioning of the component (11,…, 19) on the basis of the calculated incorrect dimensioning variable. Furthermore, the invention relates to an energy management system for simulating the operation of an energy system (1) having at least one component (11,…, 19).

Description

Beschreibung description
Computergestütztes Verfahren zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems sowie Energiemanagementsystem Computer-aided procedure for the simulation of an operation of an energy system as well as an energy management system
Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems. Hierbei er- möglicht die Simulation einen möglichst effizienten Betrieb des Energiesystems. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energiemanagementsystem zur Simulation des Betriebes des Energiesystems . The invention relates to a computer-aided method for simulating the operation of an energy system. Here, the simulation enables the most efficient operation of the energy system. The invention further relates to an energy management system for simulating the operation of the energy system.
Typischerweise wird versucht ein Energiesystem möglichst ef- fizient, beispielsweise möglichst energetisch effizient, zu betreiben. Bei bestehenden Energiesystemen sind die Möglich- keiten der Optimierung typischerweise auf die bereits instal- lierten beziehungsweise bestehenden Komponenten beschränkt. Das bestehende Energiesystem gibt somit die Randbedingungen bezüglich der Optimierung vor. Typically, an attempt is made to operate an energy system as efficiently as possible, for example as energetically as possible. In existing energy systems, the possibilities for optimization are typically limited to the components that are already installed or exist. The existing energy system thus specifies the boundary conditions with regard to optimization.
Nach dem Stand der Technik wird der Betrieb des Energiesys- tems manuell optimiert. Beispielsweise wird bei einem Ausfall einer Komponente, aus betriebswirtschaftlichen Gründen und/oder innovationstechnischen Gründen, mittels einer manu- ellen Optimierung die Auslegung des Energiesystems neu ermit- telt. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Energiesys- temdesignverfahrens beziehungsweise mittels eines Energiesys- temdesigns. Eine Fehldimensionierung, das heißt eine Überdi- mensionierung oder Unterdimensionierung einer der Komponenten des Energiesystems, kann nachträglich, das heißt für bereits bestehende beziehungsweise installierte Energiesysteme hier- bei nicht festgestellt werden. According to the state of the art, the operation of the energy system is optimized manually. For example, in the event of a component failure, for business reasons and / or for reasons of innovation, the design of the energy system is redetermined using manual optimization. This is done for example by means of an energy system design method or by means of an energy system design. Incorrect dimensioning, that is to say overdimensioning or undersizing of one of the components of the energy system, cannot be determined subsequently, that is to say for existing or installed energy systems.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fehldimensionierung einer Komponente eines bereits bestehen- den Energiesystems festzustellen. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Energiemana- gementsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspru- ches 9 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vor- teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben. The object of the present invention is to determine an incorrect dimensioning of a component of an already existing energy system. The object is achieved by a method with the features of independent claim 1 and by an energy management system with the features of independent claim 9. Advantageous refinements and developments of the invention are specified in the dependent patent claims.
Das erfindungsgemäße computergestützte Verfahren zur Simula- tion eines Betriebes eines Energiesystems mit wenigstens ei- ner Komponente, umfasst wenigstens die folgenden Schritte:The computer-aided method according to the invention for simulating the operation of an energy system with at least one component comprises at least the following steps:
- Modellieren des Energiesystems als Optimierungsproblem, wo- bei das Optimierungsproblem wenigstens Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente sowie jeweils zu den Energie- aufnahmen und Energieabgaben zugehörige Schattenpreise als Optimierungsvariablen aufweist; - Modeling the energy system as an optimization problem, the optimization problem having at least energy consumption and energy output of the component and shadow prices associated with the energy consumption and energy output as optimization variables;
- Berechnen der Energieaufnahmen, der Energieabgaben und der jeweils zugehörigen Schattenpreise durch ein numerisches Lö- sen des Optimierungsproblems; - Calculating the energy consumption, the energy output and the associated shadow prices by numerically solving the optimization problem;
- Berechnen einer ersten Summe mittels einer mit den zugehö- rigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieaufnahmen; - Calculating a first sum using a sum of the energy consumption weighted with the associated shadow prices;
- Berechnen einer zweiten Summe mittels einer mit den zugehö- rigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieabgaben;- Calculating a second sum by means of a sum of the energy levies weighted with the associated shadow prices;
- Berechnen einer Fehldimensionierungsgröße der Komponente mittels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Summe, sowie mittels der Investitionskosten und der Betriebs- kosten der Komponente; und - Calculating an incorrect dimensioning size of the component by subtracting the second sum from the first sum, and by means of the investment costs and the operating costs of the component; and
- Ermitteln einer Überdimensionierung oder Unterdimensionie- rung der Komponente in Abhängigkeit der berechneten Fehldi- mensionierungsgröße . - Determining an oversizing or undersizing of the component depending on the calculated mis-dimensioning size.
Erfindungsgemäß wird das Problem der vorliegenden Erfindung durch die Formulierung eines (mathematischen) Optimierungs- problems basierend auf ein Energiesystemdesignproblem des Energiesystems gelöst. Hierzu wird in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens das Energiesystem bezie- hungsweise der Betrieb des Energiesystems als Optimierungs- problem formuliert beziehungsweise modelliert. Hierbei sind die Variablen des Optimierungsproblems wenigstens die Ener- gieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente sowie jeweils die zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörigen Schattenpreise. Es werden daher die Werte der genannten Vari- ablen möglichst optimal durch das Lösen des Optimierungsprob- lem berechnet. Mit anderen Worten werden die Energieaufnah- men, die Energieabgaben sowie die zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörigen Schattenpreise durch ein numeri- sches Lösen des Optimierungsproblems berechnet. Beim Model- lieren des Energiesystems als Optimierungsproblem wird die bestehende Auslegung des Energiesystems berücksichtigt, bei- spielsweise über Randbedingungen beziehungsweise Nebenbedin- gungen des Optimierungsproblems. Typischerweise wird das Energiesystem mittels einer Zielfunktion des Optimierungs- problems modelliert, wobei die Zielfunktion wenigstens die genannten Variablen und Parameter umfasst. According to the invention, the problem of the present invention is solved by formulating a (mathematical) optimization problem based on an energy system design problem of the energy system. For this purpose, in a first step of the method according to the invention, the energy system or the operation of the energy system is formulated or modeled as an optimization problem. The variables of the optimization problem are at least the energy Energy uptake and energy output of the component as well as the shadow prices associated with the energy intake and energy output. The values of the variables mentioned are therefore calculated as optimally as possible by solving the optimization problem. In other words, the energy consumption, the energy output as well as the shadow prices associated with the energy consumption and energy output are calculated by numerically solving the optimization problem. When modeling the energy system as an optimization problem, the existing design of the energy system is taken into account, for example via boundary conditions or additional conditions of the optimization problem. The energy system is typically modeled using a target function of the optimization problem, the target function comprising at least the variables and parameters mentioned.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus den mittels des Lö- sens des Optimierungsproblems berechneten Energieaufnahmen, Energieabgaben und zugehörigen Schattenpreisen (beziehungs- weise mittels deren berechneten Werte) die erste und zweite Summe berechnet. Hierbei wird die erste Summe mittels der den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieauf- nahmen gebildet. Die zweite Summe wird mittels der den zuge- hörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieabgaben gebildet . According to the present invention, the first and second sum are calculated from the energy consumption, energy output and associated shadow prices calculated by solving the optimization problem (or by means of their calculated values). Here, the first sum is formed by means of the sum of the energy consumption weighted for the associated shadow prices. The second sum is formed from the sum of the energy levies weighted according to the associated shadow prices.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Fehldimensionierungsgröße der Komponente wenigstens mittels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Summe berechnet. Eine Subtraktion der ersten Summe von der zweiten Summe ist ebenfalls denkbar und zur vorliegenden Er- findung äquivalent . Erfindungsgemäß werden ebenfalls die In- vestitionskosten sowie die Betriebskosten der Komponente be- rücksichtigt. Die Betriebskosten und Investitionskosten kön- nen derart berücksichtigt werden, dass diese beispielsweise zur ersten Summe addiert werden. Mit anderen Worten umfasst die erste Summe alle Energieaufnahmen gewichtet mit den zuge- hörigen Schattenpreisen der Komponente. Die Betriebskosten und Investitionskosten können somit ebenfalls als eine preis- lich gewichtete Energieaufnahme interpretiert werden. Mit an- deren Worten hängt die Fehldimensionierung der Komponente von der Differenz zwischen der ersten Summe und der zweiten Summe sowie von den Betriebskosten und Investitionskosten der Kom- ponente ab. In a further step of the method according to the invention, the incorrect dimensioning size of the component is calculated at least by subtracting the second sum from the first sum. A subtraction of the first sum from the second sum is also conceivable and equivalent to the present invention. According to the invention, the investment costs and the operating costs of the component are also taken into account. The operating costs and investment costs can be taken into account in such a way that they are added to the first sum, for example. In other words, the first sum includes all energy consumption weighted with the associated shadow prices of the component. The operating costs and investment costs can thus also be interpreted as a price-weighted energy consumption. In other words, the incorrect dimensioning of the component depends on the difference between the first sum and the second sum, as well as on the operating and investment costs of the component.
Mittels der Fehldimensionierungsgröße kann eine Fehldimensio- nierung der Komponente, das heißt eine Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente, festgestellt wer- den. Mit anderen Worten wird in einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Überdimensionierung oder Un- terdimensionierung der Komponente basierend oder in Abhängig- keit der berechneten Fehldimensionierung ermittelt. An incorrect dimensioning of the component, that is to say an oversizing or undersizing of the component, can be determined by means of the incorrect dimensioning size. In other words, in a further step of the method according to the invention, the overdimensioning or underdimensioning of the component is determined based on or as a function of the calculated incorrect dimensioning.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass dieses für bereits bestehende Energiesysteme durchführbar ist . Somit kann festgestellt werden, ob eine Komponente des Energiesys- tems unter realen Bedingungen beziehungsweise Randbedingungen innerhalb des Energiesystems überdimensioniert oder unterdi- mensioniert ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass mittels diesem ebenfalls eine möglichst optimale Auslegung der Komponente, das heißt eine Auslegung, in der die Komponente nicht wesentlich unterdimensioniert und nicht überdimensioniert ist, ermittelt werden kann. Bei- spielsweise erfolgt dies mittels eines neuen Energiesystemde- signs. Umfasst eine Komponente des Energiesystems beispiels- weise mehrere Aggregate, so kann basierend auf den Wert der Fehldimensionierungsgröße, über einen Zubau eines zusätzli- chen Aggregates oder einen Abbau eines der installierten Ag- gregate nachgedacht werden. Mit anderen Worten kann basierend auf den Wert der Fehldimensionierungsgröße die Komponente be- züglich ihrer Dimensionierung, beispielsweise ihrer Nennleis- tung und/oder Kapazität, vergrößert beziehungsweise verklei- nert werden. An advantage of the method according to the invention is that it can be carried out for already existing energy systems. It can thus be determined whether a component of the energy system is oversized or under-dimensioned under real conditions or boundary conditions within the energy system. A further advantage of the method according to the invention is that it can also be used to determine the best possible design of the component, that is to say a design in which the component is not significantly undersized and not oversized. For example, this is done using a new energy system design. If a component of the energy system includes several units, for example, based on the value of the incorrectly dimensioned size, the addition of an additional unit or the dismantling of one of the installed units can be considered. In other words, based on the value of the incorrect dimensioning size, the component can be enlarged or reduced in terms of its dimensioning, for example its nominal output and / or capacity.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit sinnbild- lich die effizientesten Stellschrauben für einen möglichst optimalen Betrieb oder eine möglichst optimale Auslegung des bereits bestehenden Energiesystems festgestellt werden. By means of the method according to the invention, the most efficient adjusting screws for one can thus be emblematic optimal operation or the best possible design of the existing energy system.
Dadurch kann die energetische Effizienz des Energiesystems deutlich verbessert werden. This can significantly improve the energy efficiency of the energy system.
Das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems mit wenigstens einer Komponente, umfasst wenigstens The energy management system according to the invention for simulating the operation of an energy system with at least one component comprises at least
- Mittel zum Modellieren des Energiesystems als Optimierungs- problem, wobei das Optimierungsproblem wenigstens Energieauf- nahmen und Energieabgaben der Komponente sowie jeweils zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörige Schattenpreise als Optimierungsvariablen aufweist; - Means for modeling the energy system as an optimization problem, the optimization problem having at least energy consumption and energy output of the component as well as shadow prices associated with the energy consumption and energy output as optimization variables;
- Mittel zum Berechnen der Energieaufnahmen, der Energieabga- ben und der jeweils zugehörigen Schattenpreise durch ein nu- merisches Lösen des Optimierungsproblems; - Means for calculating the energy consumption, the energy output and the associated shadow prices by solving the optimization problem numerically;
- Mittel zum Berechnen einer ersten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Ener- gieaufnahmen; - Means for calculating a first sum by means of a sum of the energy consumption weighted with the associated shadow prices;
- Mittel zum Berechnen einer zweiten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Ener- gieabgaben; - Means for calculating a second sum by means of a sum of the energy levies weighted with the associated shadow prices;
- Mittel zum Berechnen einer Fehldimensionierungsgröße mit- tels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Sum- me, sowie mittels der Investitionskosten und Betriebskosten der Komponente; und - Means for calculating an incorrect dimensioning size by subtracting the second sum from the first sum, and by means of the investment costs and operating costs of the component; and
- Mittel zum Ermitteln einer Überdimensionierung oder Unter- dimensionierung der Komponente in Abhängigkeit der berechne- ten Fehldimensionierungsgröße. - Means for determining an oversizing or undersizing of the component depending on the calculated mis-dimensioning size.
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Energiemana- gementsystem. The method according to the invention has the same and equivalent advantages of the energy management system according to the invention.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Ermitteln der Überdimensionierung oder Unterdimensionie- rung der Komponente in Abhängigkeit des Vorzeichens der be- rechneten Fehldimensionierungsgröße . Mit anderen Worten kann die Fehldimensionierungsgröße einen negativen oder positiven Wert aufweisen. Gemäß der vorliegen- den Erfindung ist die Fehldimensionierungsgröße derart fest- gelegt oder bestimmt, dass bei einem positiven Wert eine Un- terdimensionierung und bei einem negativen Wert eine Überdi- mensionierung der Komponente des Energiesystems vorliegt. Selbstverständlich kann die Fehldimensionierungsgröße in eine Vielzahl mathematisch äquivalenter Größen oder Ausdrücke ge- wandelt werden. Entscheidend ist lediglich, dass basierend auf der Fehldimensionierungsgröße, insbesondere ihres Vorzei- chens, eine Überdimensionierung oder eine Unterdimensionie- rung der Komponente festgestellt und unterschieden werden kann. Hierzu ist das Vorzeichen der Fehldimensionierungsgröße von besonderem Vorteil. Somit ist die Komponente des Energie- systems optimal ausgelegt beziehungsweise dimensioniert, wenn die Fehldimensionierungsgröße den Wert Null aufweist. According to an advantageous embodiment of the invention, the overdimensioning or underdimensioning of the component is determined as a function of the sign of the calculated incorrectly dimensioned quantity. In other words, the mis-sizing quantity can have a negative or positive value. According to the present invention, the incorrect dimensioning size is determined or determined in such a way that if the value is positive, the dimensioning of the component of the energy system is undersizing and if the value is negative, the dimensioning is undersized. Of course, the incorrect dimensioning size can be converted into a large number of mathematically equivalent sizes or expressions. The only decisive factor is that an oversizing or an undersizing of the component can be determined and differentiated based on the incorrect dimensioning size, in particular its sign. The sign of the incorrect dimensioning size is particularly advantageous for this. The component of the energy system is thus optimally designed or dimensioned if the incorrect dimensioning value has the value zero.
Weist die Fehldimensionierungsgröße einen von null verschie- denen Wert auf, das heißt einen positiven oder negativen von null verschiedenen Wert auf, so ist es von Vorteil die Kompo- nente kleiner zu dimensionieren, falls das Vorzeichen der be- rechneten Fehldimensionierungsgröße positiv ist, oder größer zu dimensionieren, falls das Vorzeichen der berechneten Fehl- dimensionierungsgröße negativ ist. Ein entsprechendes inver- ses Verhalten ergibt sich bei einer Multiplikation der Fehl- dimensionierungsgröße mit einer negativen Zahl, insbesondere mit -1. If the incorrect dimensioning variable has a non-zero value, that is to say a positive or negative non-zero value, it is advantageous to dimension the component smaller if the sign of the calculated incorrectly dimensioning variable is positive or larger to be dimensioned if the sign of the calculated incorrect dimensioning quantity is negative. A corresponding inverse behavior is obtained by multiplying the incorrect dimensioning quantity by a negative number, in particular by -1.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Betriebskosten und die Investitionskosten in Abhängigkeit der Nennleistung der Komponente bestimmt. According to an advantageous embodiment of the invention, the operating costs and the investment costs are determined as a function of the nominal power of the component.
Die Nennleistung der Komponente kann auch als Kapazität der Komponente bezeichnet werden und entspricht im Wesentlichen der Dimensionierung der Komponente. Mit anderen Worten sind die Betriebskosten und die Investitionskosten der Komponente von ihrer Dimensionierung beziehungsweise Kapazität abhängig. Beim Berechnen der Fehldimensionierungsgröße wird die Dimen- sionierung beziehungsweise die Kapazität der physikalisch in- stallierten, das heißt der bestehenden Komponente, berück- sichtigt. Mit anderen Worten sind die Betriebskosten und In- vestitionskosten der Komponente abhängig von ihrer Kapazität beziehungsweise ihrer Nennleistung. Diese Abhängigkeit wird ebenfalls beim Berechnen der Fehldimensionierungsgröße be- rücksichtigt. Dadurch ist vorteilhafter Weise sichergestellt, dass das Verfahren sich auf das tatsächlich installierte be- ziehungsweise bestehende Energiesystem bezieht. The nominal power of the component can also be called the capacity of the component and essentially corresponds to the dimensioning of the component. In other words, the operating costs and the investment costs of the component depend on its dimensions or capacity. When calculating the incorrect dimensioning size, the dimensioning or the capacity of the physically installed, that is to say the existing component, is taken into account. In other words, the operating costs and investment costs of the component depend on its capacity or its nominal output. This dependency is also taken into account when calculating the incorrect dimensioning size. This advantageously ensures that the method relates to the actually installed or existing energy system.
Die Betriebskosten und Investitionskosten können vorteilhaf- ter Weise mittels des Energiemanagementsystems gespeichert werden. Mit anderen Worten sind die Betriebskosten und Inves- titionskosten dem Energiemanagementsystem bekannt. The operating costs and investment costs can advantageously be saved using the energy management system. In other words, the operating costs and investment costs are known to the energy management system.
Es ist von Vorteil die Nennleistung (Kapazität) ebenfalls durch das Lösen des Optimierungsproblems zu berechnen, wobei das Optimierungsproblem unter der Nebenbedingung gelöst wird, dass die berechnete Nennleistung der physikalischen Nennleis- tung der Komponente entspricht. It is advantageous to also calculate the nominal power (capacity) by solving the optimization problem, the optimization problem being solved under the secondary condition that the calculated nominal power corresponds to the physical nominal power of the component.
Vorteilhafterweise wird dadurch die Nennleistung der Kompo- nente, das heißt ihre Kapazität beziehungsweise Dimensionie- rung zunächst als Variable beim Optimierungsproblem berück- sichtigt. Allerdings wird ihr Wert auf die tatsächlich in- stallierte beziehungsweise bestehende physikalische Nennleis- tung beziehungsweise Kapazität der Komponente mittels einer Nebenbedingung eingeschränkt. Hierdurch wird die Nennleis- tung, die zwar eine Variable des Optimierungsproblems ausbil- det, auf ihren physikalischen Wert beschränkt . Dadurch kann vorteilhafterweise das Auffinden einer Lösung des Optimie- rungsproblems mittels numerischer Verfahren verbessert, ins- besondere beschleunigt, werden. Insbesondere können dadurch Computerressourcen eingespart werden. This advantageously takes into account the nominal power of the component, ie its capacity or dimensioning, first as a variable in the optimization problem. However, their value is restricted to the actually installed or existing physical nominal power or capacity of the component by means of a secondary condition. As a result, the nominal power, which forms a variable of the optimization problem, is limited to its physical value. As a result, finding a solution to the optimization problem by means of numerical methods can advantageously be improved, in particular accelerated. In particular, this can save computer resources.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Fehldimensionierungsgröße mittels K = Cin— Cout + CAPEX + OPEX berechnet, wobei als Cin die erste Summe, als Cout die zweite Summe, als CAPEX die Investitionskosten und als OPEX die Be- triebskosten bezeichnet werden. Die Fehldimensionierungsgröße kann ebenfalls zu K = Cin + In an advantageous development of the invention, the incorrect dimensioning size is determined using K = C in - C out + CAPEX + OPEX calculated, where C in the first sum, C out the second sum, CAPEX the investment costs and OPEX the operating costs. The mis-dimensioning size can also be K = C in +
CAPEX + OPEX— Cout umformuliert werden. Hierdurch wird deut- lich, dass die Investitionskosten CAPEX und die Betriebskos- ten OPEX zur ersten Summe addiert werden. Sie können daher als Grundenergieaufnahmen angesehen werden. Hieraus wird deutlich, dass sich für K = 0 für die Komponente ein Gleich- gewicht ausbildet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Komponente sich neutral bezüglich der Energieaufnahmen und Energieabgaben gewichtet mit den zugehörigen Schattenpreisen verhält. Ist hingegen die Fehldimensionierungsgröße K un- gleich null, so ist die Komponente mit den weiteren Komponen- ten des Energiesystems nicht im Gleichgewicht, sodass bei spielsweise für K > 0 die Komponente auf Kosten der weiteren Komponenten des Energiesystems arbeitet. Es ist daher erstre- benswert für jede Komponente des Energiesystems K = 0 zu er- reichen. Dies wird durch die vorliegende Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltung ermöglicht. Mit anderen Worten ist jede Komponente des Energiesystems vorteilhaft dimensioniert, wenn die zur Komponente zugehörige Fehldimensionierungsgröße den Wert Null aufweist. CAPEX + OPEX— C out . This makes it clear that the CAPEX investment costs and the OPEX operating costs are added to the first sum. They can therefore be viewed as basic energy consumption. From this it becomes clear that an equilibrium is formed for K = 0 for the component, which is characterized in that the component behaves neutrally with regard to the energy consumption and energy output with the associated shadow prices. If, on the other hand, the incorrect dimensioning size K is not equal to zero, the component is not in equilibrium with the other components of the energy system, so that for example for K> 0 the component works at the expense of the other components of the energy system. It is therefore desirable to achieve K = 0 for each component of the energy system. This is made possible by the present invention and / or an embodiment thereof. In other words, each component of the energy system is advantageously dimensioned if the incorrect dimensioning dimension associated with the component has the value zero.
Es ist hierbei von Vorteil, wenn Cin mittels It is advantageous here if C in means
und Cout mittels berechnet wird, wobei als die i-te Energieaufnahme im Zeitinter- and C out by means of is calculated, whereby as the i-th energy consumption in the time interval
vall DT zum Zeitpunkt n, als die j-te Energieabgabe im vall DT at time n when the jth energy output in
Zeitintervall DT zum Zeitpunkt n, als den zur i-te Ener- gieaufnahme zum Zeitpunkt n zugehörige Schattenpreis, und als den zur j-te Energieabgabe zum Zeitpunkt n zugehörige Schattenpreis bezeichnet werden. Time interval DT at time n, as the shadow price associated with the ith energy intake at time n and the shadow price associated with the jth energy output at time n.
Hierbei gibt es / Energieaufnahmen und J Energieabgaben sowie N Zeitschritte beziehungsweise Zeitpunkte. Mit anderen Worten ist die erste Summe im Wesentlichen das Skalarprodukt zwischen dem Vektor gebildet aus den Energie- aufnahmen mit dem Vektor gebildet aus den zu den Energieauf- nahmen zugehörigen Schattenpreisen. Hierbei wird über alle Zeitpunkte beziehungsweise Zeitbereiche summiert. Somit kann Cin ebenfalls als There are / energy intake and J energy delivery as well as N time steps or times. In other words, the first sum is essentially the dot product between the vector formed from the energy consumption with the vector formed from the shadow prices associated with the energy consumption. Here, totaling is carried out over all times or time periods. Thus C in can also be used as
und/oder Cout alsand / or C out as
geschrieben werden, wobei T den Zeitbereich der Optimierung (Optimierungshorizont) kennzeichnet, beispielsweise ein Jahr, ein Monat oder einen Tag (englisch: Day-Ahead) , und wobei den Vektor der Energieaufnahmen, are written, where T denotes the time range of the optimization (optimization horizon), for example a year, a month or a day (English: day-ahead), and where the vector of energy consumption,
den Vektor der zu den Energieaufnahmen zugehö- the vector of the energy consumption
rigen Schattenpreise, den Vektor der Energieabgaben und den Vektor der zu den Energieabgaben zugehörigen Schattenpreise. Die Energie- aufnahmen und Energieabgaben sowie Schattenpreise sind typi- scherweise zeitabhängig, das heißt eine Funktion von t. low shadow prices, the vector of energy deliveries and the vector of the shadow prices associated with the energy levies. The energy consumption and energy deliveries as well as shadow prices are typically time-dependent, that is, a function of t.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Betrieb des Energiesystems über ein Jahr, über einen Mo- nat und/oder über einen Tag simuliert. According to an advantageous embodiment of the invention, the operation of the energy system is simulated over a year, over a month and / or over a day.
Mit anderen Worten ist der bereits oben genannte Optimie- rungshorizont ein Jahr, ein Monat, und/oder ein Tag. Beson- ders bevorzugt ist ein Optimierungshorizont von einem Jahr. Hierbei kann das Jahr weiter in kleinere Zeitbereiche, bei- spielsweise in Stunden eingeteilt werden. In other words, the optimization horizon already mentioned is a year, a month, and / or a day. An optimization horizon of one year is particularly preferred. The year can be further divided into smaller time ranges, for example hours.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Energiemanagementsystem Mittel zum Erfassen von bezüglich der berechneten Energieaufnahmen und berechneten Energieabga- ben zeitlich vergangenen beziehungsweise historischen Ener- gieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente des Energie- systems . In an advantageous embodiment of the invention, the energy management system comprises means for recording energy consumption that is past or historical in terms of the calculated energy consumption and energy output and energy output of the component of the energy system.
Mit anderen Worten werden vorteilhafter Weise historische, das heißt vergangene Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponenten bei der Optimierungen, beispielsweise zur Initia- lisierung der Parameter des Optimierungsproblems berücksich- tigt. Dadurch wird vorteilhafterweise der Betrieb beziehungs- weise das Erkennen der Fehldimensionierung der wenigstens ei- nen Komponente des Energiesystems verbessert. In other words, historical, that is to say past, energy consumption and energy output of the components are advantageously used in the optimization, for example for the initia The parameters of the optimization problem are taken into account. This advantageously improves the operation or the detection of the incorrect dimensioning of the at least one component of the energy system.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei- spielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schemati- siert : Further advantages, features and details of the invention result from the exemplary embodiments described below and from the drawings. Schematically show:
Figur 1 ein Schaltbild eines Energiesystems; und Figure 1 is a circuit diagram of an energy system; and
Figur 2 ein Sankey-Diagramm des Energiesystems. Figure 2 is a Sankey diagram of the energy system.
Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente kön- nen in einer der Figuren oder in den Figuren mit denselben BezugsZeichen versehen sein. Similar, equivalent or equivalent elements can be provided with the same reference numerals in one of the figures or in the figures.
Die Figur 1 zeigt ein Schaltbild des Energiesystems 1. Hie- raus sind die Komponenten 11,..., 19 des Energiesystems 1, die Energiebedarfe 31, 32, 33 (Lasten) und Energieformen 21,..., 26 sowie deren Abhängigkeiten erkennbar. FIG. 1 shows a circuit diagram of the energy system 1. The components 11, ..., 19 of the energy system 1, the energy requirements 31, 32, 33 (loads) and forms of energy 21, ..., 26 and their dependencies can be seen .
Das Energiesystem 1 umfasst exemplarisch als Komponenten 11,..., 19 ein Erdgasnetz 11, eine Photovoltaikanlage 12, ein Stromnetz 13 zur Einspeisung in das Energiesystem 1, ein Blockheizkraftwerk 14, einen Gasboiler 15, eine Kompressions- kältemaschine 16, ein Stromnetz 17 zur Ausspeisung aus dem Energiesystem 1, eine Absorptionskältemaschine 18 sowie einen Kältespeicher 19. Weitere Komponenten können vorgesehen sein. As components 11,..., 19, the energy system 1 includes, for example, a natural gas network 11, a photovoltaic system 12, a power network 13 for feeding into the energy system 1, a combined heat and power plant 14, a gas boiler 15, a compression refrigerator 16, and a power network 17 Withdrawal from the energy system 1, an absorption refrigerator 18 and a cold store 19. Further components can be provided.
Die Komponenten 11,..., 19 des Energiesystems 1 sind bezüglich ihrer Energieaufnahmen und ihrer Energieabgaben gekoppelt. The components 11, ..., 19 of the energy system 1 are coupled with regard to their energy consumption and their energy output.
Vorliegend wird mittels des Erdgasnetzes 11 Erdgas 21 für das Blockheizkraftwerk 14 und den Gasboiler 15 bereitgestellt.In the present case, natural gas 21 is provided for the combined heat and power plant 14 and the gas boiler 15 by means of the natural gas network 11.
Mit anderen Worten werden das Blockheizkraftwerk 14 und der Gasspoiler 15 mittels des Erdgases 21 betrieben. Das Block- Heizkraftwerk 14 sowie der Gasboiler 15 wandeln das Erdgas 21 in elektrische Energie, das heißt Strom 22, und Wärme 23. Mit anderen Worten stellt das Blockheizkraftwerk 14 Strom 22 und Wärme 23 bereit. Der Gasboiler 15 stellt Wärme 23 bereit. In other words, the combined heat and power unit 14 and the gas spoiler 15 are operated by means of the natural gas 21. The block The combined heat and power plant 14 and the gas boiler 15 convert the natural gas 21 into electrical energy, that is to say electricity 22, and heat 23. In other words, the combined heat and power plant 14 provides electricity 22 and heat 23. The gas boiler 15 provides heat 23.
Die Photovoltaikanlage 12 und das Stromnetz 13 stellen eben- falls elektrische Energie, das heißt Strom 22, bereit. Der Strom 22 sowie die Wärme 23 werden innerhalb des Energiesys- tems durch weitere Komponenten verwendet. Beispielsweise wird der elektrische Strom 22 zur Deckung der elektrischen Last 31, zum Betrieb der Kompressionskältemaschine 16 und/oder zur Ausspeisung in das Stromnetz 17 verwendet. Die durch das Blockheizkraftwerk 14 und den Gasboiler 15 bereitgestellte Wärme 23 kann zur Deckung der Wärmelast 32 und/oder zum Be- trieb der Absorptionskältemaschine 18 verwendet werden. The photovoltaic system 12 and the power grid 13 also provide electrical energy, that is to say electricity 22. The electricity 22 and the heat 23 are used within the energy system by further components. For example, the electrical current 22 is used to cover the electrical load 31, to operate the compression refrigerator 16 and / or to be fed into the power supply 17. The heat 23 provided by the combined heat and power unit 14 and the gas boiler 15 can be used to cover the heat load 32 and / or to operate the absorption refrigerator 18.
Weiterhin ergibt sich ein Wärmeverlust, das heißt die Abwärme 25. Mittels der Kompressionskältemaschine 16 und der Absorp- tionskältemaschine 18 wird die Kälte 24 bereitgestellt. Die Kälte 24 kann zur Deckung des Kältebedarfs 33 beziehungsweise Kältelast 33 herangezogen werden. Alternativ oder ergänzend kann die Kälte 24 mittels des Kältespeichers 19 gespeichert beziehungsweise zwischengespeichert werden. Ebenfalls ergibt sich ein Kälteverlust, das heißt die Abkälte 26. Furthermore, there is a heat loss, that is to say the waste heat 25. The cold 24 is provided by means of the compression refrigerator 16 and the absorption refrigerator 18. The cold 24 can be used to cover the cooling requirement 33 or cooling load 33. Alternatively or in addition, the cold 24 can be stored or buffered by means of the cold store 19. There is also a loss of cold, that is, the cold 26.
Die Figur 1 verdeutlicht somit die komplexen Abhängigkeiten der Komponenten 11,..., 19 des Energiesystems 1 bezüglich der Energieflüsse, das heißt bezüglich ihrer Energieaufnahmen und Energieabgaben. FIG. 1 thus illustrates the complex dependencies of the components 11,... 19 of the energy system 1 with regard to the energy flows, that is to say with regard to their energy consumption and energy output.
Beispielsweise weist die Absorptionskältemaschine 18 als Energieaufnahme die vom Blockheizkraftwerk 14 sowie dem Gas- boiler 15 bereitgestellte Wärme 23 auf. Als Energieabgabe weist die Absorptionskältemaschine 18 die Kälte 24 auf. Die Kälte 24 kann wiederum mittels des Kältespeichers 19 gespei- chert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es bei- spielsweise die Dimensionierung der Absorptionskältemaschine 18, beispielsweise ihre Nennleistung beziehungsweise Kapazi- tat, bezüglich ihrer Energieaufnahmen, vorliegend die Wärme 23, und ihrer Energieabgaben, vorliegend die Kälte 24, zu op- timieren. Dies erfolgt mittels der Fehldimensionierungsgröße der Absorptionskältemaschine 18, mittels welcher eine Überdi- mensionierung oder eine Unterdimensionierung der Absorptions- kältemaschine 18 erkannt werden kann. An der Fehldimensionie- rungsgröße der Absorptionskältemaschine 18 ist somit erkenn- bar, ob eine Vergrößerung (Unterdimensionierung der Absorpti- onskältemaschine 18) oder eine Verkleinerung (Überdimensio- nierung der Absorptionskältemaschine 18) vorteilhaft ist.For example, the absorption refrigeration machine 18 has the heat 23 provided by the combined heat and power unit 14 and the gas boiler 15 as energy consumption. The absorption refrigerator 18 has the cold 24 as the energy output. The cold 24 can in turn be stored by means of the cold store 19. The present invention makes it possible, for example, to dimension the absorption refrigerator 18, for example its nominal output or capacity. did to optimize their energy consumption, in this case the heat 23, and their energy output, in this case the cold 24. This is done by means of the incorrect dimensioning of the absorption refrigerator 18, by means of which an overdimensioning or an undersizing of the absorption refrigerator 18 can be recognized. From the incorrectly dimensioned size of the absorption refrigerator 18 it can thus be seen whether an enlargement (undersizing of the absorption refrigerator 18) or a reduction (overdimensioning of the absorption refrigerator 18) is advantageous.
Dies kann ebenfalls für weitere Komponenten 11,..., 19 des Ener- giesystems, insbesondere für alle Komponenten 11,..., 19 des Energiesystems, durchgeführt werden. This can also be carried out for further components 11, ..., 19 of the energy system, in particular for all components 11, ..., 19 of the energy system.
Die Figur 2 zeigt ein Sankey-Diagramm des Energiesystems 1 nachdem der Betrieb des Energiesystem 1 mittels des erfin- dungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner Ausgestaltungen op- timiert worden ist. Hierbei wurde eine Jahresplanung durchge- führt, das heißt der Betrieb des Energiesystems 1 wurde für den Optimierungszeitraum von einem Jahr gemäß der vorliegen- den Erfindung berechnet und optimiert . Mit anderen Worten ist der Optimierungshorizont ein Jahr. FIG. 2 shows a Sankey diagram of the energy system 1 after the operation of the energy system 1 has been optimized by means of the method according to the invention or one of its configurations. Annual planning was carried out, that is, the operation of energy system 1 was calculated and optimized for the optimization period of one year in accordance with the present invention. In other words, the optimization horizon is one year.
Weiterhin zeigt Figur 2 dieselben Elemente wie bereits Figur 1. FIG. 2 also shows the same elements as FIG. 1.
Die Komponenten 11,..., 19 des Energiesystem 1 sind in der dar- gestellten Lösung im Gleichgewicht, das heißt diese weisen einen Wert der Fehldimensionierung von Null auf. The components 11, ..., 19 of the energy system 1 are in equilibrium in the solution shown, that is to say they have a value of incorrect dimensioning of zero.
Die im Folgenden angegebenen Energieaufnahmen beziehungsweise Energieabgabe der Komponenten 11,..., 19 des Energiesystems 1 sind rein exemplarisch und die Erfindung ist nicht auf ge- nannten Werte eingeschränkt. Die Werte sollen lediglich die Energieströme, das heißt die Energieaufnahmen und Energieab- gaben, innerhalb des Energiesystems 1 exemplarisch verdeutli- chen. Die Energieaufnahmen und Energieabgaben sind in der Fi- gur 2 durch die Dicke der Verbindungsschläuche zwischen den Elementen der Figur 2 symbolisiert, beispielsweise in der Einheit Megawattstunden pro Jahr (MWh/a) . Weiterhin weist je- de Komponente 11,..., 19 eine maximale Nennleistung, beispiels- weise in der Einheit Kilowatt (kW) auf. The energy consumption or energy output of the components 11,..., 19 of the energy system 1 specified below are purely exemplary and the invention is not restricted to the stated values. The values are only intended to exemplify the energy flows, that is to say the energy inputs and energy outputs, within the energy system 1. The energy consumption and energy output are shown in FIG. 2 by the thickness of the connecting hoses between the Symbolizes elements of Figure 2, for example in the unit megawatt hours per year (MWh / a). Furthermore, each component 11, ..., 19 has a maximum nominal power, for example in the unit kilowatt (kW).
In der Figur 2 stellt das Erdgasnetz 11 etwa 2656 MWh/a an Energie bereit. Mittels des Blockheizkraftwerkes 14 wird das Erdgas 21, wie bereits unter Figur 1 erläutert, in Wärme (et- wa 1248 MWh/a) und in elektrische Energie 22 (etwa 770 MWh/a) gewandelt. Die Photovoltaikanlage 12 stellt etwa 44 MWh/a und das Stromnetz 13 etwa 303 MWh/a an elektrischer Energie 22 (Strom 22) bereit. Der Strom 22 und die Wärme 23 werden bei- spielsweise zur Deckung der elektrischen Last 31 und/oder zum Betrieb der Kompressionskältemaschine 16 verwendet und/oder in das Stromnetz 13 eingespeist. In FIG. 2, the natural gas network 11 provides approximately 2656 MWh / a of energy. By means of the combined heat and power plant 14, the natural gas 21, as already explained under FIG. 1, is converted into heat (approximately 1248 MWh / a) and into electrical energy 22 (approximately 770 MWh / a). The photovoltaic system 12 provides approximately 44 MWh / a and the power grid 13 provides approximately 303 MWh / a of electrical energy 22 (electricity 22). The electricity 22 and the heat 23 are used, for example, to cover the electrical load 31 and / or to operate the compression refrigerator 16 and / or are fed into the electricity network 13.
Die Wärme 23 wird beispielsweise für die Wärmelast 32 The heat 23 is used, for example, for the heat load 32
und/oder zum Betrieb der Absorptionskältemaschine 18 verwen- det. Hierbei ergibt sich auch die Abwärme 25. Die Kompressi- onskältemaschine 16 sowie die Absorptionskältemaschine 18 stellen die Kälte 24 bereit. Hierbei werden etwa 911 MWh/a an Kälte 24 bereitgestellt. Die Kälte 24 kann zur Deckung der Kältelast 33 verwendet werden und/oder mittels des Kältespei- cher 19 gespeichert beziehungsweise zwischengespeichert wer- den. Weiterhin ergibt sich die Abkälte 26. and / or used to operate the absorption refrigerator 18. The waste heat 25 also results here. The compression refrigeration machine 16 and the absorption refrigeration machine 18 provide the refrigeration 24. In this case, approximately 911 MWh / a of cold 24 are provided. The cold 24 can be used to cover the cold load 33 and / or stored or buffered by means of the cold store 19. The cold 26 also results.
Weitere Darstellungen des Energiesystems 1, beispielsweise in Form eines Kapitalfluss-Sankey-Diagramms (englisch: Cashflow- Sankey-Diagram) , können vorgesehen sein. Insbesondere ist am Kapitalfluss-Sankey-Diagramms ebenfalls ein Verlust und/oder ein Erlös der jeweiligen Komponente, der zu positiven oder negativen Werten der Fehldimensionierungsgröße korrespondie- ren kann, zu erkennen. Further representations of the energy system 1, for example in the form of a cash flow Sankey diagram (English: cash flow Sankey diagram), can be provided. In particular, a loss and / or a revenue of the respective component, which can correspond to positive or negative values of the incorrect dimensioning size, can also be recognized on the capital flow Sankey diagram.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher die Formulierung eines möglichst optimalen Betriebes eines Energiemanagement- systems als Energiesystemdesignproblem, wobei ineffiziente Komponenten des Energiesystems mittels der Fehldimensionie- rungsgröße, insbesondere an einem von Null verschiedenen Wert der Fehldimensionierungsgröße, festgestellt werden können.The present invention therefore enables the optimal operation of an energy management system to be formulated as an energy system design problem, with inefficient components of the energy system using the incorrect dimensions. tion size, in particular on a non-zero value of the incorrect dimensioning size.
Mit anderen Worten kann eine Fehldimensionierung einer Kompo- nente des Energiesystems quantifiziert werden. Dadurch kann das bereits bestehende beziehungsweise installierte Energie- system gemäß der vorliegenden Erfindung neu ausgelegt In other words, an incorrect dimensioning of a component of the energy system can be quantified. As a result, the already existing or installed energy system can be redesigned in accordance with the present invention
und/oder effizienter betrieben werden. Durch das erfindungs- gemäße Verfahren und/oder einer seiner Ausgestaltungen kann, beispielsweise mittels einer Jahresplanung und/oder mehreren Tagesplanungen (englisch: Day-Ahead) , eine Fehldimensionie- rung des Energiesystem beziehungsweise einer oder mehrere seiner Komponenten festgestellt, überprüft, vermieden and / or operated more efficiently. The method according to the invention and / or one of its refinements, for example by means of annual planning and / or several day plans (English: day-ahead), can be used to determine, to check, to avoid incorrect dimensioning of the energy system or one or more of its components
und/oder toleriert werden. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele ein- geschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hie- raus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. and / or be tolerated. Although the invention has been illustrated and described in more detail by the preferred exemplary embodiments, the invention is not restricted by the disclosed examples or other variations can be derived therefrom by a person skilled in the art without leaving the scope of protection of the invention.
Bezugszeichenliste Reference list
1 Energiesystem 1 energy system
11 Erdgasnetz 11 natural gas network
12 Photovoltaik 12 photovoltaics
13 Stromnetz (Einspeisung) 13 power grid (feed)
14 Blockheizkraftwerk 14 combined heat and power plant
15 Gasboiler 15 gas boilers
16 Kompressionskältemaschine 17 Stromnetz (Auspeisung) 16 compression chiller 17 power grid (feed)
18 Absorptionskältemaschine18 absorption chiller
19 Kältespeicher 19 cold storage
21 Erdgas 21 natural gas
22 Strom 22 electricity
23 Wärme 23 warmth
24 Kälte 24 cold
25 Abwärme 25 waste heat
26 Abkälte 26 colds
31 Strombedarf 31 Power requirements
32 Wärmebedarf 32 Heating requirements
33 Kältebedarf 33 cooling requirements

Claims

Patentansprüche Claims
1. Computergestütztes Verfahren zur Simulation eines Betrie- bes eines Energiesystems (1) mit wenigstens einer Komponente (11,..., 19), umfassend wenigstens die Schritte: 1. Computer-aided method for simulating an operation of an energy system (1) with at least one component (11, ..., 19), comprising at least the steps:
- Modellieren des Energiesystems (1) als Optimierungsproblem, wobei das Optimierungsproblem wenigstens Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente (11,..., 19) sowie jeweils zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörige Schattenpreise als Optimierungsvariablen aufweist; - Modeling the energy system (1) as an optimization problem, the optimization problem having at least energy consumption and energy output from the component (11, ..., 19) and shadow prices associated with the energy consumption and energy output as optimization variables;
- Berechnen der Energieaufnahmen, der Energieabgaben und der jeweils zugehörigen Schattenpreise durch ein numerisches Lö- sen des Optimierungsproblems; - Calculating the energy consumption, the energy output and the associated shadow prices by numerically solving the optimization problem;
- Berechnen einer ersten Summe mittels einer mit den zugehö- rigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieaufnahmen; - Calculating a first sum using a sum of the energy consumption weighted with the associated shadow prices;
- Berechnen einer zweiten Summe mittels einer mit den zugehö- rigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieabgaben;- Calculating a second sum by means of a sum of the energy levies weighted with the associated shadow prices;
- Berechnen einer Fehldimensionierungsgröße der Komponente (11,..., 19) mittels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Summe, sowie mittels der Investitionskosten und Be- triebskosten der Komponente (11,..., 19); und - Calculating an incorrect dimensioning size of the component (11, ..., 19) by subtracting the second sum from the first sum, and by means of the investment costs and operating costs of the component (11, ..., 19); and
- Ermitteln einer Überdimensionierung oder Unterdimensionie- rung der Komponente (11,..., 19) in Abhängigkeit der berechneten Fehldimensionierungsgröße . - Determining an overdimensioning or undersizing of the component (11, ..., 19) depending on the calculated incorrect dimensioning size.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Ermitteln der Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente (11,..., 19) in Abhängigkeit des Vorzeichens der berechneten Fehldimensionierungsgröße erfolgt . 2. The method as claimed in claim 1, in which the overdimensioning or undersizing of the component (11,..., 19) is determined as a function of the sign of the calculated incorrectly dimensioned quantity.
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Komponente 3. The method according to claim 2, wherein the component
(11,..., 19) kleiner dimensioniert wird, falls das Vorzeichen der berechneten Fehldimensionierungsgröße positiv ist, oder bei dem die Komponente (11,..., 19) größer dimensioniert wird, falls das Vorzeichen der berechneten Fehldimensionierungsgrö- ße negativ ist. (11, ..., 19) is dimensioned smaller if the sign of the calculated incorrect dimensioning size is positive, or in which the component (11, ..., 19) is dimensioned larger if the sign of the calculated incorrect dimensioning size is negative .
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Betriebskosten und die Investitionskosten in Abhän- gigkeit der Nennleistung der Komponente (11,..., 19) bestimmt werden. 4. The method according to any one of the preceding claims, in which the operating costs and the investment costs are determined as a function of the nominal power of the component (11, ..., 19).
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem die Nennleistung eben- falls durch das Lösen des Optimierungsproblems berechnet wird, wobei das Optimierungsproblem unter der Nebenbedingung gelöst wird, dass die berechnete Nennleistung der physikali- schen Nennleistung der Komponente (11,..., 19) entspricht. 5. The method according to claim 4, in which the nominal power is also calculated by solving the optimization problem, the optimization problem being solved under the additional condition that the calculated nominal power of the physical nominal power of the component (11, ..., 19 ) corresponds.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fehldimensionierungsgröße mittels K = Cin— Cout + 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the mis-dimensioning by means of K = C in - C out +
CAPEX + OPEX berechnet wird, wobei als Cin die erste Summe, als Cout die zweite Summe, als CAPEX die Investitionskosten und als OPEX die Betriebskosten bezeichnet werden. + CAPEX, OPEX is calculated using as C in the first sum, as C out the second sum, as the investment costs CAPEX and OPEX are referred to as the operating costs.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem Cin mittels 7. The method according to claim 6, wherein the C in means
und Cout mittels and C out by means of
berechnet wird, wobei als die i-te Energieaufnahme im is calculated, where as the i-th energy consumption in
Zeitintervall DT zum Zeitpunkt n, als die Time interval DT at time n as the
j-te Ener- gieabgabe im Zeitintervall DT zum Zeitpunkt n, als den jth energy output in the time interval DT at the time n as the
zur i-te Energieaufnahme zum Zeitpunkt n zugehörige Schatten- preis, und als den zur the shadow price associated with the ith energy consumption at time n, and as that for
j-te Energieabgabe zum Zeitpunkt n zugehörige Schattenpreis bezeichnet werden. jth energy delivery at time n associated shadow price.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Betrieb des Energiesystems (1) über ein Jahr, über einen Monat und/oder über einen Tag simuliert wird. 8. The method according to any one of the preceding claims, in which the operation of the energy system (1) is simulated over a year, over a month and / or over a day.
9. Energiemanagementsystem zur Simulation eines Betriebes ei- nes Energiesystems (1) mit wenigstens einer Komponente 9. Energy management system for simulating the operation of an energy system (1) with at least one component
(11,..., 19), umfassend (11, ..., 19)
- Mittel zum Modellieren des Energiesystems als Optimierungs- problem, wobei das Optimierungsproblem wenigstens Energieauf- nahmen und Energieabgaben der Komponente (11,..., 19) sowie je- weils zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörige Schattenpreise als Optimierungsvariablen aufweist; - Mittel zum Berechnen der Energieaufnahmen, der Energieabga- ben und der jeweils zugehörigen Schattenpreise durch ein nu- merisches Lösen des Optimierungsproblems; - Means for modeling the energy system as an optimization problem, the optimization problem having at least energy consumption and energy output from the component (11, ..., 19) and shadow prices associated with the energy consumption and energy output as optimization variables; - Means for calculating the energy consumption, the energy output and the respectively associated shadow prices by solving the optimization problem numerically;
- Mittel zum Berechnen einer ersten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Ener- gieaufnahmen; - Means for calculating a first sum by means of a sum of the energy consumption weighted with the associated shadow prices;
- Mittel zum Berechnen einer zweiten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Ener- gieabgaben; - Means for calculating a second sum by means of a sum of the energy levies weighted with the associated shadow prices;
- Mittel zum Berechnen einer Fehldimensionierungsgröße mit- tels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Sum- me, sowie mittels der Investitionskosten und Betriebskosten der Komponente (11,..., 19); und - Means for calculating an incorrect dimensioning size by subtracting the second sum from the first sum, and by means of the investment costs and operating costs of the component (11, ..., 19); and
- Mittel zum Ermitteln einer Überdimensionierung oder Unter- dimensionierung der Komponente (11,..., 19) in Abhängigkeit der berechneten Fehldimensionierungsgröße . - Means for determining an oversizing or undersizing of the component (11, ..., 19) depending on the calculated incorrect dimensioning size.
10. Energiemanagementsystem gemäß Anspruch 9, mit Mitteln zum Erfassen von bezüglich der berechneten Energieaufnahmen und berechneten Energieabgaben zeitlich vergangenen Energieauf- nahmen und Energieabgaben der Komponente (11,..., 19) des Ener- giesystems (1) . 10. Energy management system according to claim 9, with means for detecting energy consumption and energy output of the component (11,.
11. Energiemanagementsystem gemäß Anspruch 9 oder 10, mit Mitteln zum Speichern der Investitionskosten und Betriebskos- ten der Komponente (11,...,19). 11. Energy management system according to claim 9 or 10, with means for storing the investment costs and operating costs of the component (11, ..., 19).
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