WO2023247186A1 - Method for using determined co2 emissions for the operation of technical installations, computer program and computer-readable medium - Google Patents

Method for using determined co2 emissions for the operation of technical installations, computer program and computer-readable medium Download PDF

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WO2023247186A1
WO2023247186A1 PCT/EP2023/065225 EP2023065225W WO2023247186A1 WO 2023247186 A1 WO2023247186 A1 WO 2023247186A1 EP 2023065225 W EP2023065225 W EP 2023065225W WO 2023247186 A1 WO2023247186 A1 WO 2023247186A1
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WO
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computing device
electronic computing
emissions
technical systems
simulation
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Application number
PCT/EP2023/065225
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Inventor
Lukas HÖTTECKE
Thomas Schütz
Sebastian THIEM
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/04—Forecasting or optimisation specially adapted for administrative or management purposes, e.g. linear programming or "cutting stock problem"
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
    • G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
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    • G06Q50/00—Information and communication technology [ICT] specially adapted for implementation of business processes of specific business sectors, e.g. utilities or tourism
    • G06Q50/04—Manufacturing

Definitions

  • the invention relates to a method for using determined CO2 emissions for the operation of technical systems. Furthermore, the invention relates to a computer program. The invention also relates to a computer-readable medium.
  • the object of the present invention is to create a method, a computer program and a computer-readable medium so that CO2 emissions can be attributed particularly precisely to individual process steps from which the CO2 emissions can result. can be sorted in order to be able to operate technical systems in a particularly environmentally friendly manner.
  • a first aspect of the invention relates to a method for using determined CO2 emissions for the operation of technical systems.
  • an electronic computing device also known as a computer, is used to determine measurement data which characterize the respective operation of the technical systems that actually exist in reality.
  • a simulation is carried out based on a simulation model, through which the technical systems are modeled, and on the basis of the measurement data, in which a respective operation of the technical systems is simulated. Since the technical systems are reproduced or depicted by the simulation model, also known as a model, the simulation model includes a so-called digital twin of the respective technical system, which or whose operation is simulated in the simulation on the basis of the simulation model .
  • a material or energy stream which is also simply referred to as a stream, is made available to each magazine of the simulation by the respective system and/or supplied to the respective system during the simulated operation, and in each case, i.e. the respective stream assigned CO2 emissions are determined.
  • the respective material and/or energy stream and the respective CO2 emission assigned to the respective stream are used as optimization variables of an optimization problem, which is solved by means of the electronic computing device, in particular according to one Objective function is solved, in particular with the help of a particular, cell-available solver, also known as a solver.
  • the background to the invention is that CO2 emissions, which are caused by technical systems, particularly in electricity and/or heat generation, are only taken into account in conventional planning models at system boundaries, for example for the purchase of electricity, natural gas and/or or coal.
  • CO2 entries can be recorded in a system, but these CO2 entries are not directly linked to loads.
  • the method according to the invention provides a possibility of assigning the CO2 emissions to individual process steps of the respective operation of the technical systems. This assignment can be visualized, for example, in a diagram such as, in particular, a Sankey diagram of CO2 emissions.
  • Sankey diagrams is a popular type of representation for visualizing the results of an ESD calculation, in particular for visualizing CO2 emissions that were calculated and thus determined by an ESD calculation, for example.
  • energy technology energy and exergy balances are mapped, and in process engineering, material and material flows are mapped. Data that can be used for this purpose can arise directly from conventional, techno-economic planning models.
  • the measurement data is determined and provided, for example, using sensors and fed to the electronic computing device, in particular directly. Furthermore, it is conceivable that the measurement data is stored, for example, in an electrical or electronic storage device and retrieved by the electronic computing device and thereby received and determined.
  • an ESD model is expanded to include modeling of a CO2 flow, which makes it possible to generate at least one or more CO2 Sankey diagrams.
  • the respective energy and/or material flow also designated P t
  • P t is given a CO2 footprint at time t connected.
  • the respective energy and/or material flow P t and the respective CO2 footprint (CO2 emissions) represent the optimization variables of the aforementioned optimization problem. Boundary conditions for a coupling of P t and are introduced below lead, for example, to a non-linear optimization problem in particular with the following equations:
  • Equation 4 can, for example, be converted into a secondary condition depending on, for example, specified efficiencies.
  • one of the technical systems is a combined heat and power plant (CHP)
  • the electrical efficiency is, for example
  • Equations 2 and 7 are secondary conditions which, through clever transformation: be reformulated into quadratic constraints.
  • the optimization problem or model thus becomes a square-constrained program (QCQP) that can be solved using available solver software (e.g. MOSEK, GUROBI). This integrates the CO2 flow into the actual design problem.
  • QQP square-constrained program
  • a second approach involves decoupling models.
  • the overall optimization problem is divided into a design optimization and a simulation for CO2 accounting.
  • the optimization problem for the design and operation of all systems is solved (without ⁇ t ). This results in all P t , which follow are known as, in particular, constant, parameters.
  • the second optimization problem determines the CO2 balance based on these values (that is: is an optimization variable,
  • P t is a constant parameter.
  • the models for design and 002 accounting are both linear or mixed integer linear. Therefore, they can be solved quickly using available solver software such as SCIP, GUROBI.
  • the simulation model and/or the Sankey diagram mentioned can comprise several nodes, for example the respective technical system can be a respective node.
  • a node describes a tuple consisting of a form of energy such as steam, electricity, cold, hydrogen, etc. and an associated location such as a parking lot, an administration, a production facility, a warehouse, a technical center, etc.
  • a 002- For example, a balance sheet or a 002 balance sheet is carried out for each node n and journal t.
  • CO2 inputs from all feeding technologies are first added up and then calculated accordingly a respective amount of energy or material distributed evenly among outgoing technologies.
  • Conversion units which are also referred to as conversion technologies, can represent a coupling element between the technical systems, also known as supply systems or designed as supply systems, in particular for electricity, steam, cold, process gases, etc. (for example CHP system, refrigeration machine , electrolysers).
  • Total emissions from a conversion technology result from Entries for fuel, electricity consumption, etc. according to the equation 2 as well as a proportional consideration of emissions nen that arise during production and disposal.
  • a challenge is the distribution of CO2 emissions across outputs of a conversion unit, since in addition to a primary product such as electricity in a combined heat and power plant, cold in a refrigeration machine, hydrogen in electrolysers, it also waste heat at different temperatures. veaus can provide from the system.
  • the division can therefore be carried out in the process according to an exergy content of the respective energy or material flow This results for a heater, for example material and/or energy flow formed by mestrom depending on a temperature level T q with the equation 5.
  • the division can be made according to energy weighting, efficiency or reference technologies (“Finnish method”). When choosing a suitable division, national standards may need to be taken into account.
  • Storage technologies such as hot water, batteries, hydrogen pressure tanks (H2 pressure tanks) can couple the flows with one another over several time steps. This property can be taken into account in the process, particularly for CO2 balancing. This is done for each storage technology which is connected to a respective node M k (for example heat storage in the technical center, battery storage in the parking lot), a virtual CO2 storage level is taken into account. This increases when Load and is reduced when it is withdrawn or The CO2 emissions for the storage results from equation 2. The CO2 emissions for withdrawal depend on the
  • proportionate CO2 emissions are generated for production and disposal taken into account.
  • a life cycle assessment also known as a life cycle assessment
  • Conventional optimization approaches only take into account the CO2 emissions that arise from the use of fuels and the purchase of electricity.
  • the process according to the invention can also reduce proportionate emissions during production and for the disposal of conversion or storage technology logies arise, which leads to the following equation 8:
  • the proportion is determined depending on the proportion of the time step t in the total service life. Below are three examples of a magazine t:
  • the respective material and/or energy flow and the respective CO2 emissions assigned to the respective material and/or energy flow are displayed on an electronic display, which is also referred to as a screen and is controlled by means of the electronic computing device , displayed.
  • an electronic display which is also referred to as a screen and is controlled by means of the electronic computing device , displayed.
  • a further embodiment of the invention provides that the aforementioned QCQP problem is formulated and solved in order to solve the optimization problem.
  • the technical systems have at least one combined heat and power system and/or at least one gas turbine and/or at least one buffer storage and/or at least one combined heat and power plant and / or at least one hydrogen tank, in particular hydrogen pressure tank, and / or at least one electrolyzer.
  • the measurement data also includes data which is also referred to as environmental data and characterizes an environment of the technical systems. This allows the technical systems, in particular their operation, to be simulated particularly precisely, so that particularly efficient operation of the systems can be achieved.
  • a second aspect of the invention relates to a computer program, also referred to as a computer program product, which comprises instructions which cause an electronic computing device to carry out the method according to the first aspect of the invention.
  • a computer program also referred to as a computer program product
  • the computer program also simply referred to as a program, can be loaded, in particular directly, into a memory of the computer or the electronic computing device.
  • a third aspect of the invention relates to a computer-readable medium, storage medium or a computer-readable data carrier, the computer program according to the second aspect of the invention being stored on the computer-readable medium according to the third aspect of the invention.
  • the computer-readable medium according to the third aspect of the invention comprises instructions which, when executed by said computer, cause it to carry out the method according to the first aspect of the invention.
  • Advantages and advantageous refinements of the first aspect of the invention and the second aspect of the invention are to be viewed as advantages and advantageous refinements of the third aspect of the invention and vice versa.
  • the drawing shows in: 1 shows a flowchart to illustrate a method for using determined CO2 emissions for the operation of technical systems;
  • FIG 2 is a Sankey diagram.
  • FIG. 1 shows a flowchart, which is used to explain a method for using determined CO2 emissions for the operation of technical systems.
  • the method is carried out using an electronic computing device 10, shown particularly schematically in FIG. 1, which is also referred to as a computer or is designed as a computer.
  • the electronic computing device 10 is used to determine measurement data, which are illustrated in FIG - ben.
  • a simulation is carried out using the electronic computing device 10 on the basis of a simulation model, through which the technical systems are simulated, and on the basis of the measurement data, in or at which a respective operation of the technical - niche systems are simulated.
  • the simulation produces a material and/or energy stream, also simply referred to as a stream, which is provided by the respective system and/or supplied to each magazine of the simulation during the simulated operation and a respective CO2 emission, i.e. assigned to the respective stream, is determined, for example determining of the respective CO2 emissions is also referred to as the CO2 balance or CO2 accounting.
  • the simulation model includes a respective digital twin of the respective technical system.
  • the respective technical system or its respective digital twin is, especially in the simulation, part of a node or a node at which, for example, the CO2 balance is carried out.
  • the respective node describes, for example, a tuple of a respective form of energy such as steam, electricity, cold, hydrogen, etc. and a respective location such as a parking lot, an administration, a production facility, a warehouse, a technical center, etc.
  • a fourth step S4 of the method the respective stream and the respective CO2 emission assigned to the respective stream are used as optimization variables of an optimization problem, which is calculated by means of the electronic computing device 10, in particular according to a target function, that is is solved depending on an objective function.
  • FIG. 2 shows a Sankey diagram, which is displayed, for example, on a screen that is controlled by the electronic computing device 10, in particular depending on the solution to the optimization problem.
  • the Sankey diagram shown in FIG. For example, the aforementioned nodes are illustrated in the diagram, the nodes in the diagram being labeled 14a-h.
  • the currents visualized in the diagram are labeled 16.
  • the respective currents 16 are assigned in the diagram. ordered CO2 emissions, which are shown only very schematically in FIG. 2 and are designated 18.

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Abstract

The invention relates to a method for using determined CO2 emissions (18) for the operation of technical installations (14a-h) in which measurement data (12) characterizing the operation of each of the technical installations (14a-h) are determined by means of an electronic computing device (10). By means of the electronic computing device (10), a simulation simulating the operation of each of the technical installations (14a-h) is carried out on the basis of a simulation model by means of which the technical installations (14a-h) are simulated, and on the basis of the measurement data (12). The simulation determines, for each time period of the simulation, a material and/or energy flow (16) provided by the respective system (14a-h) and/or supplied to the respective system (14a-h) during the simulated operation, and an associated CO2 emission (18). The respective material and/or energy flow (16) and the respective associated CO2 emission (18) are used as optimization variables of an optimization problem.

Description

Beschreibung Description
Verfahren zur Nutzung von ermittelten CO2-Emissionen für den Betrieb von technischen Anlagen, Computerprogramm sowie com- puterlesbares Medium Method for using determined CO2 emissions for the operation of technical systems, computer program and computer-readable medium
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von ermit- telten CO2-Emissionen für den Betrieb von technischen Anla- gen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Computerpro- gramm. Die Erfindung betrifft auch ein computerlesbares Medi- um. The invention relates to a method for using determined CO2 emissions for the operation of technical systems. Furthermore, the invention relates to a computer program. The invention also relates to a computer-readable medium.
Zahlreiche Unternehmen und Regierungen haben sich weltweit auf verbindliche Ziele zur Dekarbonisierung der Energiever- sorgung verpflichtet. Dies erfordert unter anderem eine Transformation von industriellen Energieversorgungssystemen, um den Einsatz fossiler Brennstoffe zu vermeiden oder zumin- dest zu reduzieren und klimafreundliche Technologien zu in- tegrieren. Hierfür erforderliche Maßnahmen können aus techno- ökonomischen Optimierungsmodellen ermittelt werden. Optimie- rungsmodelle von (multi-modalen) Energiesystemen können neue Technologie- und Effizienzmaßnahmen aus einem Lösungsraum (Superstruktur) unter Berücksichtigung von existierenden An- lagen, zu deckenden Lastprofilen, Umweltrandbedingungen sowie ökonomischen Randbedingungen (zum Beispiel Strompreisen) und ökologischen oder energetischen Randbedingungen (zum Beispiel CO2-Preisen, Primärenergiebedarf) gemäß einer Zielfunktion vorteilhaft auswählen und dimensionieren. In der Regel jedoch werden Optimierungsmodelle als lineare (LP) oder gemischt- ganzzahlige lineare (NILP) Optimierungsprobleme formuliert. Derartige techno-ökonomische Modelle werden auch als Energie- systemdesign (ESD) bezeichnet. Numerous companies and governments around the world have committed to binding targets for decarbonizing energy supplies. This requires, among other things, a transformation of industrial energy supply systems in order to avoid or at least reduce the use of fossil fuels and to integrate climate-friendly technologies. The measures required for this can be determined from techno-economic optimization models. Optimization models of (multi-modal) energy systems can incorporate new technology and efficiency measures from a solution space (superstructure) taking into account existing systems, load profiles to be covered, environmental constraints as well as economic constraints (e.g. electricity prices) and ecological or energy constraints (e.g Example CO2 prices, primary energy requirements) should be advantageously selected and dimensioned according to a target function. As a rule, however, optimization models are formulated as linear (LP) or mixed-integer linear (NILP) optimization problems. Such techno-economic models are also referred to as energy system design (ESD).
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren, ein Computerprogramm und ein computerlesbares Medium zu schaffen, sodass CO2-Emissionen einzelnen Prozessschritten, aus welchen die CO2-Emissionen resultieren können, besonders präzise zu- geordnet werden können, um in der Folge technische Anlagen besonders umweltfreundlich betreiben zu können. The object of the present invention is to create a method, a computer program and a computer-readable medium so that CO2 emissions can be attributed particularly precisely to individual process steps from which the CO2 emissions can result. can be sorted in order to be able to operate technical systems in a particularly environmentally friendly manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Computerpro- gramm mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 sowie durch ein computerlesbares Medium mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Wei- terbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen an- gegeben. This object is achieved according to the invention by a method with the features of patent claim 1, by a computer program with the features of patent claim 9 and by a computer-readable medium with the features of patent claim 10. Advantageous refinements with useful further developments of the invention are specified in the remaining claims.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von ermittelten CO2-Emissionen für den Betrieb von technischen Anlagen. Bei dem Verfahren werden mittels einer auch als Computer bezeichneten, elektronischen Recheneinrich- tung Messdaten ermittelt, welche einen jeweiligen Betrieb der tatsächlich in der Realität vorhandenen, technischen Anlagen charakterisieren. Mittels der elektronischen Recheneinrich- tung wird auf Basis eines Simulationsmodells, durch welches die technischen Anlagen nachgebildet sind, und auf Basis der Messdaten eine Simulation durchgeführt, in welcher ein jewei- liger Betrieb der technischen Anlagen simuliert wird. Da durch das einfach auch als Modell bezeichnete Simulationsmo- dell die technischen Anlagen nachgebildet oder abgebildet sind, umfasst das Simulationsmodell einen sogenannten, digi- talen Zwilling der jeweiligen, technischen Anlage, die bezie- hungsweise deren Betrieb auf Basis des Simulationsmodells in der Simulation simuliert wird. Durch die Simulation werden ein während des simulierten Betriebs zu jedem Zeitschrift der Simulation von der jeweiligen Anlage bereitgestellter und/oder der jeweiligen Anlage zugeführter Stoff- oder Ener- giestrom, welcher einfach auch als Strom bezeichnet wird, und eine jeweils, das heißt dem jeweiligen Strom zugeordnete CO2- Emission ermittelt. Bei dem Verfahren werden der jeweilige Stoff- und/oder Energiestrom und die jeweilige, dem jeweili- gen Strom zugeordnete CO2-Emission als Optimierungsvariablen eines Optimierungsproblems verwendet, welches mittels der elektronischen Recheneinrichtung insbesondere gemäß einer Zielfunktion gelöst wird, insbesondere unter Zuhilfenahme ei- nes insbesondere, zellerhältlichen, auch als Löser bezeichne- ten Solvers. A first aspect of the invention relates to a method for using determined CO2 emissions for the operation of technical systems. In the process, an electronic computing device, also known as a computer, is used to determine measurement data which characterize the respective operation of the technical systems that actually exist in reality. Using the electronic computing device, a simulation is carried out based on a simulation model, through which the technical systems are modeled, and on the basis of the measurement data, in which a respective operation of the technical systems is simulated. Since the technical systems are reproduced or depicted by the simulation model, also known as a model, the simulation model includes a so-called digital twin of the respective technical system, which or whose operation is simulated in the simulation on the basis of the simulation model . Through the simulation, a material or energy stream, which is also simply referred to as a stream, is made available to each magazine of the simulation by the respective system and/or supplied to the respective system during the simulated operation, and in each case, i.e. the respective stream assigned CO2 emissions are determined. In the method, the respective material and/or energy stream and the respective CO2 emission assigned to the respective stream are used as optimization variables of an optimization problem, which is solved by means of the electronic computing device, in particular according to one Objective function is solved, in particular with the help of a particular, cell-available solver, also known as a solver.
Hintergrund der Erfindung ist, dass CO2-Emissionen, welche durch technische Anlagen insbesondere in der Strom- und/oder Wärmeerzeugung bewirkt werden, in herkömmlichen Planungsmo- dellen lediglich an Systemgrenzen bilanziert werden, zum Bei- spiel für den Bezug von Strom, Erdgas und/oder Kohle. Hier- durch können zwar CO2-Einträge in ein System erfasst werden, diese CO2-Einträge werden aber nicht unmittelbar mit Lasten in Verbindung gesetzt. Demgegenüber bildet das erfindungsge- mäße Verfahren eine Möglichkeit, die CO2-Emissionen einzelnen Prozessschritten des jeweiligen Betriebs der technischen An- lagen zuzuordnen. Diese Zuordnung kann beispielsweise in ei- nem Diagramm wie ganz insbesondere einem Sankey-Diagramm der CO2-Emissionen visualisiert werden. Die Verwendung von Sankey-Diagrammen ist eine beliebte Darstellungsart zur Visu- alisierung von Ergebnissen einer ESD-Rechnung, insbesondere zur Visualisierung von CO2-Emissionen, die durch eine ESD- Rechnung beispielsweise berechnet und somit ermittelt wurden. In der Energietechnik werden so Energie- und Exergiebilanzen, in der Verfahrenstechnik zudem Material- und Stoffströme, ab- gebildet. Hierzu nutzbare Daten können sich unmittelbar aus konventionellen, techno-ökonomischen Planungsmodellen erge- ben. The background to the invention is that CO2 emissions, which are caused by technical systems, particularly in electricity and/or heat generation, are only taken into account in conventional planning models at system boundaries, for example for the purchase of electricity, natural gas and/or or coal. This means that CO2 entries can be recorded in a system, but these CO2 entries are not directly linked to loads. In contrast, the method according to the invention provides a possibility of assigning the CO2 emissions to individual process steps of the respective operation of the technical systems. This assignment can be visualized, for example, in a diagram such as, in particular, a Sankey diagram of CO2 emissions. The use of Sankey diagrams is a popular type of representation for visualizing the results of an ESD calculation, in particular for visualizing CO2 emissions that were calculated and thus determined by an ESD calculation, for example. In energy technology, energy and exergy balances are mapped, and in process engineering, material and material flows are mapped. Data that can be used for this purpose can arise directly from conventional, techno-economic planning models.
Die Messdaten werden beispielsweise mittels Sensoren ermit- telt und bereitgestellt und der elektronischen Recheneinrich- tung, insbesondere direkt, zugeführt. Ferner ist es denkbar, dass die Messdaten beispielsweise in einer elektrischen oder elektronischen Speichereinrichtung gespeichert und von der elektronischen Recheneinrichtung abgerufen und dadurch emp- fangen und ermittelt werden. The measurement data is determined and provided, for example, using sensors and fed to the electronic computing device, in particular directly. Furthermore, it is conceivable that the measurement data is stored, for example, in an electrical or electronic storage device and retrieved by the electronic computing device and thereby received and determined.
Allokationsmethoden zur CO2-Bewertung sind grundsätzlich aus unterschiedlichen Richtlinien bekannt. Eine Übersicht zu sta- tistischen Bilanzierungsverfahren beispielsweise für KWK- Anlagen (Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen) wurde beispielsweise von der Forschungsgesellschaft für Energiewirtschaft (FfE) herausgegeben. Derartige, statistische Bilanzierungsverfahren ermöglichen jedoch nicht die Abbildung dynamischer Systemei- genschaften, zum Beispiel den Einfluss von volatiler Einspei- sung und die Bedeutung von Energiespeichern. So kann ein thermischer Pufferspeicher die Erzeugung von Strom und Wärme aus einer KWK-Anlage entkoppeln und damit einen Mehrwert bie- ten. Der Mehrwert des Pufferspeichers wird durch bekannte statistische Bilanzierungsmethoden nicht erfasst. Hierzu sind Simulationsmodelle vorteilhaft, welche die CO2-Emissionen dy- namisch, das heißt zu dem Zeitschrift erfassen und deren Fluss abbilden, was durch das erfindungsgemäße Verfahren mög- lich ist und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt. Da bei dem Verfahren der Betrieb der technischen Anlagen auf Ba- sis der Messdaten simuliert wird, können jeweilige Lasten der technischen Anlagen berücksichtigt werden, wobei die jeweili- ge Last der jeweiligen Anlage über der Zeit variieren kann. Allocation methods for CO2 assessment are generally known from different guidelines. An overview of statistical accounting procedures, for example for cogeneration Systems (combined heat and power systems) were published, for example, by the Research Association for the Energy Industry (FfE). However, such statistical balancing procedures do not enable the depiction of dynamic system properties, for example the influence of volatile feed-in and the importance of energy storage. A thermal buffer storage can decouple the generation of electricity and heat from a CHP system and thus offer added value. The added value of the buffer storage is not captured by known statistical accounting methods. For this purpose, simulation models are advantageous which record the CO2 emissions dynamically, that is to say to the magazine, and depict their flow, which is possible by the method according to the invention and takes place in the method according to the invention. Since the operation of the technical systems is simulated in the method on the basis of the measurement data, the respective loads of the technical systems can be taken into account, whereby the respective load of the respective system can vary over time.
Im Vergleich zu herkömmlichen ESD-Rechnungen und ESD-Modellen wird bei dem Verfahren beispielsweise ein ESD-Modell um eine Modellierung eines CO2-Flusses erweitert, wodurch eine Mög- lichkeit zur Generierung wenigstens eines oder mehrerer CO2- Sankey-Diagrammen geschafft werden kann. Hierfür wird der je- weilige, auch mit Pt bezeichnete Energie- und/oder Stoffstrom zum Zeitpunkt t mit einem CO2-Abdruck
Figure imgf000006_0001
in Verbindung ge- bracht. Unter dem CO2-Abdruck
Figure imgf000006_0002
ist die zuvor genannte, je- weilige CO2-Emission zu verstehen. Der jeweilige Energie- und/oder Stoffström Pt und der jeweilige CO2-Abdruck
Figure imgf000006_0003
(CO2- Emission) stellen die Optimierungsvariablen des zuvor genann- ten Optimierungsproblems dar. Nachfolgend eingeführte Randbe- dingungen für eine Kopplung von Pt und
Figure imgf000006_0004
führen beispielswei- se auf ein nicht-lineares Optimierungsproblem insbesondere mit folgenden Gleichungen:
Figure imgf000006_0005
In comparison to conventional ESD calculations and ESD models, in the method, for example, an ESD model is expanded to include modeling of a CO2 flow, which makes it possible to generate at least one or more CO2 Sankey diagrams. For this purpose, the respective energy and/or material flow, also designated P t , is given a CO2 footprint at time t
Figure imgf000006_0001
connected. Under the CO2 footprint
Figure imgf000006_0002
means the respective CO2 emissions mentioned above. The respective energy and/or material flow P t and the respective CO2 footprint
Figure imgf000006_0003
(CO2 emissions) represent the optimization variables of the aforementioned optimization problem. Boundary conditions for a coupling of P t and are introduced below
Figure imgf000006_0004
lead, for example, to a non-linear optimization problem in particular with the following equations:
Figure imgf000006_0005
Figure imgf000007_0001
Figure imgf000007_0001
Gleichung 4 kann beispielsweise in Abhängigkeit von bei- spielsweise angegebenen Wirkungsgraden in eine Nebenbedingung überführt werden. Handelt es sich beispielsweise bei einer der technischen Anlagen um ein Blockheizkraftwerk (BHKW), so beträgt der elektrische Wirkungsgrad beispielsweise Equation 4 can, for example, be converted into a secondary condition depending on, for example, specified efficiencies. For example, if one of the technical systems is a combined heat and power plant (CHP), the electrical efficiency is, for example
43 Prozent, der thermische Wirkungsgrad beträgt beispielswei- se 45 Prozent. Dies ist jedoch bei Gleichungen 2 und 7 nicht möglich. Das Gesamtproblem bleibt durch zwei Ansätze lösbar: Ein erster der Ansätze umfasst eine Formulierung eines QCQP- Problems. Die Gleichungen 2 und 7 sind Nebenbedingungen, wel- che durch geschickte Transformation:
Figure imgf000007_0002
in quadratische Nebenbedingungen umformuliert werden. Das Op- timierungsproblem beziehungsweise -modell wird damit zu einem quadratisch beschränkten Programm (QCQP), das sich mithilfe von verfügbarer Solver-Software (zum Beispiel MOSEK, GUROBI) lösen lässt. Hierdurch wird der CO2-Fluss in das eigentliche Auslegungsproblem integriert. 43 percent, the thermal efficiency is, for example, 45 percent. However, this is not possible for equations 2 and 7. The overall problem remains solvable using two approaches: A first of the approaches includes a formulation of a QCQP problem. Equations 2 and 7 are secondary conditions which, through clever transformation:
Figure imgf000007_0002
be reformulated into quadratic constraints. The optimization problem or model thus becomes a square-constrained program (QCQP) that can be solved using available solver software (e.g. MOSEK, GUROBI). This integrates the CO2 flow into the actual design problem.
Ein zweiter der Ansätze umfasst eine Entkopplung von Model- len. Alternativ wird beispielsweise das Gesamt- Optimierungsproblem in eine Auslegungsoptimierung und eine Simulation zur CO2-Bilanzierung unterteilt. Zunächst wird das Optimierungsproblem zur Auslegung und Betrieb aller Anlagen gelöst (ohne ^t). Hierdurch ergeben sich alle Pt, die nachfol- gend als, insbesondere konstante, Parameter bekannt sind. Das zweite Optimierungsproblem ermittelt auf Basis dieser Werte die CO2-Bilanzierung (das heißt: ist Optimierungsvariable,
Figure imgf000008_0004
A second approach involves decoupling models. Alternatively, for example, the overall optimization problem is divided into a design optimization and a simulation for CO2 accounting. First, the optimization problem for the design and operation of all systems is solved (without ^ t ). This results in all P t , which follow are known as, in particular, constant, parameters. The second optimization problem determines the CO2 balance based on these values (that is: is an optimization variable,
Figure imgf000008_0004
Pt ist ein konstanter Parameter). Die Modelle zur Auslegung und zur 002-Bilanzierung sind beide jeweils linear bezie- hungsweise gemischt ganzzahlig linear. Daher können sie schnell mithilfe von verfügbarer Solver-Software wie bei- spielsweise SCIP, GUROBI gelöst werden. P t is a constant parameter). The models for design and 002 accounting are both linear or mixed integer linear. Therefore, they can be solved quickly using available solver software such as SCIP, GUROBI.
Das Simulationsmodell und/oder das genannte Sankey-Diagramm können mehrere Knoten umfassen, wobei beispielsweise die je- weilige technische Anlage ein jeweiliger der Knoten sein kann. Ein solcher Knoten beschreibt ein Tupel aus einer Ener- gieform wie beispielsweise Dampf, Strom, Kälte, Wasserstoff usw. und einem zugehörigen Ort wie beispielsweise einem Park- platz, einer Verwaltung, einer Produktion, einer Lagerhalle, einer technischen Zentrale usw. Eine 002-Bilanz oder eine 002-Bilanzierung erfolgt beispielsweise je Knoten n und Zeit- schrift t. Beispielsweise werden CO2-Einträge aller einspei- senden Technologien zunächst aufsummiert und dann gemäß
Figure imgf000008_0001
einer jeweiligen Energie- beziehungsweise Stoffmenge
Figure imgf000008_0003
auf ausspeisende Technologien gleichmäßig aufgeteilt.
Figure imgf000008_0002
The simulation model and/or the Sankey diagram mentioned can comprise several nodes, for example the respective technical system can be a respective node. Such a node describes a tuple consisting of a form of energy such as steam, electricity, cold, hydrogen, etc. and an associated location such as a parking lot, an administration, a production facility, a warehouse, a technical center, etc. A 002- For example, a balance sheet or a 002 balance sheet is carried out for each node n and journal t. For example, CO2 inputs from all feeding technologies are first added up and then calculated accordingly
Figure imgf000008_0001
a respective amount of energy or material
Figure imgf000008_0003
distributed evenly among outgoing technologies.
Figure imgf000008_0002
Umwandlungseinheiten, welche auch als Umwandlungstechnologien bezeichnet werden, können ein koppelndes Element zwischen den auch als Versorgungssysteme bezeichneten oder als Versor- gungssysteme ausgebildeten, technischen Anlagen insbesondere für Strom, Dampf, Kälte, Prozessgase usw. abbilden (zum Bei- spiel KWK-Anlage, Kältemaschine, Elektrolyseure). Gesamtemis- sionen einer Umwandlungstechnologie ergeben sich aus
Figure imgf000008_0005
Einträgen für Brennstoff, Strombezug usw. gemäß Gleichung
Figure imgf000008_0006
2 sowie einer anteiligen Berücksichtigung ^er Emissio-
Figure imgf000008_0007
nen, die im Rahmen der Produktion und Entsorgung anfallen. Eine Herausforderung ist die Aufteilung der CO2-Emissionen auf Ausgänge einer Umwandlungseinheit, da diese neben einem Primärprodukt wie beispielsweise Strom bei einem Blockheiz- kraftwerk, Kälte bei einer Kältemaschine, Wasserstoff bei Elektrolyseuren, auch Abwärme auf verschiedenen Temperaturni- veaus aus dem System zur Verfügung stellen kann. Die Auftei- lung kann daher bei dem Verfahren gemäß einem Exergiegehalt des jeweiligen Energie- beziehungsweise Stoffstromes
Figure imgf000009_0001
Dies ergibt sich für einen beispielsweise als Wär-
Figure imgf000009_0002
mestrom ausgebildeten Stoff- und/oder Energiestrom ab-
Figure imgf000009_0003
hängig von einem Temperaturniveau Tq mit der Gleichung 5. Beispielsweise kann zur Verwendung der Exergie die Aufteilung nach energetischer Gewichtung, nach Wirkungsgraden oder Refe- renztechnologien („finnische Methode") erfolgen. Bei der Wahl einer geeigneten Aufteilung sind gegebenenfalls nationale Standards zu beachten. Conversion units, which are also referred to as conversion technologies, can represent a coupling element between the technical systems, also known as supply systems or designed as supply systems, in particular for electricity, steam, cold, process gases, etc. (for example CHP system, refrigeration machine , electrolysers). Total emissions from a conversion technology result from
Figure imgf000008_0005
Entries for fuel, electricity consumption, etc. according to the equation
Figure imgf000008_0006
2 as well as a proportional consideration of emissions
Figure imgf000008_0007
nen that arise during production and disposal. A challenge is the distribution of CO2 emissions across outputs of a conversion unit, since in addition to a primary product such as electricity in a combined heat and power plant, cold in a refrigeration machine, hydrogen in electrolysers, it also waste heat at different temperatures. veaus can provide from the system. The division can therefore be carried out in the process according to an exergy content of the respective energy or material flow
Figure imgf000009_0001
This results for a heater, for example
Figure imgf000009_0002
material and/or energy flow formed by mestrom
Figure imgf000009_0003
depending on a temperature level T q with the equation 5. For example, to use the exergy, the division can be made according to energy weighting, efficiency or reference technologies (“Finnish method”). When choosing a suitable division, national standards may need to be taken into account.
Speichertechnologien wie beispielsweise Warmwasser, Batte- rien, Wasserstoffdrucktanks (H2-Drucktanks), können die Strö- me über mehrere Zeitschritte miteinander koppeln. Diese Ei- genschaft kann bei dem Verfahren insbesondere für die CO2- Bilanzierung berücksichtigt werden. Hierzu wird für jede Speichertechnologie
Figure imgf000009_0004
die an einen jeweiligen Knoten Mk angeschlossen ist (zum Beispiel Wärmespeicher in technischer Zentrale, Batteriespeicher am Parkplatz), ein virtueller CO2- Speicherstand berücksichtigt . Dieser erhöht sich beim
Figure imgf000009_0005
Laden
Figure imgf000009_0007
und verringert sich bei einer Ausspeicherung
Figure imgf000009_0008
oder
Figure imgf000009_0009
Die CO2-Emissionen für die Ein-
Figure imgf000009_0006
speicherung ergeben sich gemäß Gleichung 2. Die CO2- Emissionen für die Ausspeicherung sind abhängig von demStorage technologies such as hot water, batteries, hydrogen pressure tanks (H2 pressure tanks) can couple the flows with one another over several time steps. This property can be taken into account in the process, particularly for CO2 balancing. This is done for each storage technology
Figure imgf000009_0004
which is connected to a respective node M k (for example heat storage in the technical center, battery storage in the parking lot), a virtual CO2 storage level is taken into account. This increases when
Figure imgf000009_0005
Load
Figure imgf000009_0007
and is reduced when it is withdrawn
Figure imgf000009_0008
or
Figure imgf000009_0009
The CO2 emissions for the
Figure imgf000009_0006
storage results from equation 2. The CO2 emissions for withdrawal depend on the
CO2-Gehalt und dem Energiegehalt Ekft-i der Speichertech-
Figure imgf000009_0010
nologie sowie der Zeitschrittweite ATt. Zudem werden anteili- ge CO2-Emissionen für die Produktion und die Entsorgung
Figure imgf000009_0011
berücksichtigt. CO2 content and the energy content E kft -i of the storage technology
Figure imgf000009_0010
nology and the time step size AT t . In addition, proportionate CO2 emissions are generated for production and disposal
Figure imgf000009_0011
taken into account.
Erfolgen kann beispielsweise eine Lebenszykluseinschätzung, die auch als Lifecycle Assessment bezeichnet wird. Konventio- nelle Optimierungsansätze bilanzieren hier lediglich die CO2- Emissionen, die durch den Einsatz von Brennstoffen und den Bezug von Strom entstehen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zudem anteilige Emissionen die bei der Produktion
Figure imgf000009_0012
und für die Entsorgung von Umwandlungs- oder Speichertechno- logien anfallen, berücksichtigen, was zu folgender Gleichung 8 führt:
Figure imgf000010_0001
For example, a life cycle assessment, also known as a life cycle assessment, can be carried out. Conventional optimization approaches only take into account the CO2 emissions that arise from the use of fuels and the purchase of electricity. The process according to the invention can also reduce proportionate emissions during production
Figure imgf000009_0012
and for the disposal of conversion or storage technology logies arise, which leads to the following equation 8:
Figure imgf000010_0001
Der Anteil wird abhängig von dem Anteil des Zeitschritts t an der Gesamtlebensdauer bestimmt. Nachfolgend sind drei Bei- spiele für einen Zeitschrift t genannt: The proportion is determined depending on the proportion of the time step t in the total service life. Below are three examples of a magazine t:
Erstes der Beispiele: First of the examples:
Photovoltaikanlage mit technischer Lebensdauer von 20 Jahren an einem Standort mit 900 Stunden pro Jahr:
Figure imgf000010_0002
Photovoltaic system with a technical lifespan of 20 years at a location with 900 hours per year:
Figure imgf000010_0002
Zweites der Beispiele: Second of the examples:
Blockheizkraftwerk mit maximal 60.000 Betriebsstunden:
Figure imgf000010_0003
Combined heat and power plant with a maximum of 60,000 operating hours:
Figure imgf000010_0003
Drittes der Beispiele: Third of the examples:
Batteriespeicher mit einer Kapazität CR und 8.000 Zyklen:
Figure imgf000010_0004
Battery storage with a capacity C R and 8,000 cycles:
Figure imgf000010_0004
Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens können zumindest sein: Advantages of the method according to the invention can at least be:
- verbessertes Systemverständnis durch Assoziation von CO2-Emissionen mit Lasten; Transparente Darstellung und Identifikation von schwer dekarbonisierbaren Lasten (zum Beispiel Hochtemperatur-Prozesswärme); dynamische Bilan- zierung von Speichern (zum Beispiel Laden von Batterien mit Sonnenstrom) - improved system understanding by associating CO2 emissions with loads; Transparent representation and identification of loads that are difficult to decarbonize (e.g. high-temperature process heat); dynamic balance sheet ation of storage systems (e.g. charging batteries with solar power)
- Verständlichkeit von Optimierungsmodellen und abgeleite- ten Optimierungsmaßnahmen insbesondere durch Visualisie- rung in einem Sankey-Diagramm - Understandability of optimization models and derived optimization measures, particularly through visualization in a Sankey diagram
- Carbon Dispatch: Hochaufgelöste Darstellung von CO2- Emissionen zu jedem Zeitpunkt eines Planungszeitraums (zum Beispiel Informationen, mit welchem CO2-Fußabdruck ein Speicher geladen wird), dadurch verbessertes System- verständnis zur Betriebsplanung - Carbon Dispatch: High-resolution representation of CO2 emissions at any point in a planning period (e.g. information about the CO2 footprint with which a storage device is loaded), thereby improving system understanding for operational planning
- Carbon Annual: Kumulierte Darstellung von CO2-Emissionen über den Planungszeitraum und dadurch verbessertes Sys- temverständnis zur Anlagenplanung - Carbon Annual: Cumulative representation of CO2 emissions over the planning period and thereby improved system understanding for system planning
- Bei Einsatz in einer Betriebsplanung, zum Beispiel Day- Ahead-Planung in einem Energiemanagementsystem: Ermit- teln der CO2-Emissionen, mit der beispielsweise Mieter an einem Standort wie beispielsweise einem Industrie- standort zu jedem Zeitpunkt beliefert werden können. - When used in operational planning, for example day-ahead planning in an energy management system: determining the CO2 emissions with which, for example, tenants at a location such as an industrial site can be supplied at any time.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden der jeweilige Stoff- und/oder Energiestrom und die jeweilige, dem jeweiligen Stoff- und/oder Energiestrom zugeordnete CO2- Emission auf einer elektronischen Anzeige, welche auch als Bildschirm bezeichnet und mittels der elektronischen Rechen- einrichtung angesteuert wird, angezeigt. Hierdurch können das Verfahren und insbesondere dessen Ergebnisse besonders vor- teilhaft visualisiert werden, um dadurch das Betreiben der technischen Anlagen vorteilhaft realisieren und/oder unter- stützen zu können. In an advantageous embodiment of the invention, the respective material and/or energy flow and the respective CO2 emissions assigned to the respective material and/or energy flow are displayed on an electronic display, which is also referred to as a screen and is controlled by means of the electronic computing device , displayed. In this way, the method and in particular its results can be visualized particularly advantageously in order to be able to advantageously implement and/or support the operation of the technical systems.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der jeweilige Stoff- und/oder Energiestrom und die jeweilige, dem jeweiligen Strom zugeordnete CO2-Emission in einem Sankey- Diagramm auf dem Bildschirm angezeigt werden, wodurch eine besonders vorteilhafte Visualisierung und somit ein besonders vorteilhafter Betrieb und/oder Unterstützung des Betriebs der Anlagen darstellbar ist. Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die technischen Anlagen in Abhängigkeit von dem Lösen des Op- timierungsproblems, insbesondere in der Realität, betrieben werden. It has proven to be particularly advantageous if the respective material and/or energy stream and the respective CO2 emissions assigned to the respective stream are displayed on the screen in a Sankey diagram, thereby providing a particularly advantageous visualization and thus a particularly advantageous Operation and/or support of the operation of the systems can be represented. A further embodiment is characterized in that the technical systems are operated depending on the solution to the optimization problem, especially in reality.
Um das Optimierungsproblem besonders vorteilhaft lösen und in der Folge die Anlagen besonders vorteilhaft betreiben zu kön- nen, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgese- hen, dass zur Lösung des Optimierungsproblems das zuvor ge- nannte QCQP-Problem formuliert und gelöst wird. In order to be able to solve the optimization problem particularly advantageously and subsequently operate the systems particularly advantageously, a further embodiment of the invention provides that the aforementioned QCQP problem is formulated and solved in order to solve the optimization problem.
Um einen besonders effizienten und effektiven Betrieb reali- sieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfin- dung vorgesehen, dass die technischen Anlagen wenigstens eine Kraftwärmekopplungsanlage und/oder wenigstens eine Gasturbine und/oder wenigstens einen Pufferspeicher und/oder wenigstens ein Blockheizkraftwerk und/oder wenigstens einen Wasserstoff- tank, insbesondere Wasserstoffdrucktank, und/oder wenigstens einen Elektrolyseur umfassen. In order to be able to realize a particularly efficient and effective operation, it is provided in a further embodiment of the invention that the technical systems have at least one combined heat and power system and/or at least one gas turbine and/or at least one buffer storage and/or at least one combined heat and power plant and / or at least one hydrogen tank, in particular hydrogen pressure tank, and / or at least one electrolyzer.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfassen die Messdaten auch Daten, welche auch als Umweltdaten bezeichnet werden und eine Umgebung der tech- nischen Anlagen charakterisieren. Dadurch können die techni- schen Anlagen, insbesondere deren Betrieb, besonders präzise simuliert werden, sodass ein besonders effizienter Betrieb der Anlagen darstellbar ist. In a further, particularly advantageous embodiment of the invention, the measurement data also includes data which is also referred to as environmental data and characterizes an environment of the technical systems. This allows the technical systems, in particular their operation, to be simulated particularly precisely, so that particularly efficient operation of the systems can be achieved.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Daten eine Umgebungstemperatur der Umgebung charakterisieren, wodurch die Simulation besonders präzise durchgeführt werden kann. In der Folge ist ein besonders vorteilhafter Betrieb der Anlagen darstellbar. It has proven to be particularly advantageous if the data characterizes an ambient temperature of the environment, which means that the simulation can be carried out particularly precisely. As a result, particularly advantageous operation of the systems can be achieved.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein auch als Compu- terprogrammprodukt bezeichnetes Computerprogramm, welches Be- fehle umfasst, die bewirken, dass eine elektronische Rechen- einrichtung das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfin- dung ausführt, insbesondere wenn das Computerprogramm bezie- hungsweise das Computerprogrammprodukt durch die auch als Computer bezeichnete oder als Computer ausgebildete, elektro- nische Recheneinrichtung ausgeführt wird. Das einfach auch als Programm bezeichnete Computerprogramm ist, insbesondere direkt, in einen Speicher des Computers beziehungsweise der elektronischen Recheneinrichtung ladbar. Vorteile und vor- teilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts sind als Vortei- le und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. A second aspect of the invention relates to a computer program, also referred to as a computer program product, which comprises instructions which cause an electronic computing device to carry out the method according to the first aspect of the invention. dung, especially if the computer program or the computer program product is executed by the electronic computing device, also known as a computer or designed as a computer. The computer program, also simply referred to as a program, can be loaded, in particular directly, into a memory of the computer or the electronic computing device. Advantages and advantageous refinements of the first aspect are to be viewed as advantages and advantageous refinements of the second aspect of the invention and vice versa.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesba- res Medium, Speichermedium beziehungsweise einen computerles- baren Datenträger, wobei auf dem computerlesbaren Medium ge- mäß dem dritten Aspekt der Erfindung das Computerprogramm ge- mäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gespeichert ist. Vor- zugsweise umfasst das computerlesbare Medium gemäß dem drit- ten Aspekt der Erfindung Befehle, die bei der Ausführung durch den genannten Computer diesen veranlassen, das Verfah- ren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen. Vor- teile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung und des zweiten Aspekts der Erfindung sind als Vor- teile und vorteilhafte Ausgestaltungen des dritten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt. A third aspect of the invention relates to a computer-readable medium, storage medium or a computer-readable data carrier, the computer program according to the second aspect of the invention being stored on the computer-readable medium according to the third aspect of the invention. Preferably, the computer-readable medium according to the third aspect of the invention comprises instructions which, when executed by said computer, cause it to carry out the method according to the first aspect of the invention. Advantages and advantageous refinements of the first aspect of the invention and the second aspect of the invention are to be viewed as advantages and advantageous refinements of the third aspect of the invention and vice versa.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er- geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzug- ten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vor- stehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmals- kombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschrei- bung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der je- weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombi- nationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of a preferred exemplary embodiment and from the drawing. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown in the figures alone are not only in the combination specified in each case, but also in other combinations. Nations or can be used alone without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnung zeigt in: FIG 1 ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Ver- fahrens zur Nutzung von ermittelten CO2-Emissionen für den Betrieb von technischen Anlagen; und The drawing shows in: 1 shows a flowchart to illustrate a method for using determined CO2 emissions for the operation of technical systems; and
FIG 2 ein Sankey-Diagramm. FIG 2 is a Sankey diagram.
In den FIG sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. In the FIGS, identical or functionally identical elements are provided with the same reference numerals.
FIG 1 zeigt ein Flussdiagramm, anhand dessen ein Verfahren zur Nutzung von ermittelten CO2-Emissionen für den Betrieb von technischen Anlagen erläutert wird. Das Verfahren wird mittels einer in FIG 1 besonders schematisch dargestellten, elektronischen Recheneinrichtung 10 durchgeführt, welche auch als Computer bezeichnet wird oder als Computer ausgebildet ist. Bei einem ersten Schritt S1 des Verfahrens werden mit- tels der elektronischen Recheneinrichtung 10 Messdaten ermit- telt, welche in FIG 1 durch einen Pfeil 12 veranschaulicht sind und einen jeweiligen Betrieb der technischen Anlagen insbesondere während einer beispielsweise vorgebbaren oder vorgegebenen Zeitspanne charakterisieren, das heißt beschrei- ben. 1 shows a flowchart, which is used to explain a method for using determined CO2 emissions for the operation of technical systems. The method is carried out using an electronic computing device 10, shown particularly schematically in FIG. 1, which is also referred to as a computer or is designed as a computer. In a first step S1 of the method, the electronic computing device 10 is used to determine measurement data, which are illustrated in FIG - ben.
Bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens wird mittels der elektronischen Recheneinrichtung 10 auf Basis eines Simulati- onsmodells, durch welches die technischen Anlagen nachgebil- det sind, und auf Basis der Messdaten eine Simulation durch- geführt, in oder bei welcher ein jeweiliger Betrieb der tech- nischen Anlagen simuliert wird. In a second step S2 of the method, a simulation is carried out using the electronic computing device 10 on the basis of a simulation model, through which the technical systems are simulated, and on the basis of the measurement data, in or at which a respective operation of the technical - niche systems are simulated.
Bei einem dritten Schritt S3 des Verfahrens werden durch die Simulation ein während des simulierten Betriebs zu jedem Zeitschrift der Simulation von der jeweiligen Anlage bereit- gestellter und/oder der jeweiligen Anlage zugeführter, ein- fach auch als Strom bezeichneter Stoff- und/oder Energiestrom und eine jeweils, das heißt dem jeweiligen Strom zugeordnete CO2-Emission ermittelt, wobei beispielsweise das Ermitteln der jeweiligen CO2-Emission auch als CO2-Bilanz oder CO2- Bilanzierung bezeichnet wird. In a third step S3 of the method, the simulation produces a material and/or energy stream, also simply referred to as a stream, which is provided by the respective system and/or supplied to each magazine of the simulation during the simulated operation and a respective CO2 emission, i.e. assigned to the respective stream, is determined, for example determining of the respective CO2 emissions is also referred to as the CO2 balance or CO2 accounting.
Da durch das oder in dem Simulationsmodell die jeweilige technische Anlage nachgebildet ist, umfasst das Simulations- modell einen jeweiligen, digitalen Zwilling der jeweiligen, technischen Anlage. Die jeweilige technische Anlage bezie- hungsweise ihr jeweiliger, digitaler Zwilling ist, insbeson- dere in der Simulation, Bestandteil eines Knotens oder ein Knoten, an welchem beispielsweise die CO2-Bilanzierung er- folgt. Der jeweilige Knoten beschreibt dabei beispielsweise ein Tupel aus einer jeweiligen Energieform wie beispielsweise Dampf, Strom, Kälte, Wasserstoff usw. und einem jeweiligen Ort wie beispielsweise einem Parkplatz, einer Verwaltung, ei- ner Produktion, einer Lagerhalle, einer technischen Zentrale usw. Since the respective technical system is reproduced by or in the simulation model, the simulation model includes a respective digital twin of the respective technical system. The respective technical system or its respective digital twin is, especially in the simulation, part of a node or a node at which, for example, the CO2 balance is carried out. The respective node describes, for example, a tuple of a respective form of energy such as steam, electricity, cold, hydrogen, etc. and a respective location such as a parking lot, an administration, a production facility, a warehouse, a technical center, etc.
Bei einem vierten Schritt S4 des Verfahrens werden der jewei- lige Strom und die jeweilige, dem jeweiligen Strom zugeordne- te CO2-Emission als Optimierungsvariablen eines Optimierungs- problems verwendet, welches mittels der elektronischen Re- cheneinrichtung 10, insbesondere gemäß einer Zielfunktion, das heißt in Abhängigkeit von einer Zielfunktion gelöst wird. In a fourth step S4 of the method, the respective stream and the respective CO2 emission assigned to the respective stream are used as optimization variables of an optimization problem, which is calculated by means of the electronic computing device 10, in particular according to a target function, that is is solved depending on an objective function.
FIG 2 zeigt ein Sankey-Diagramm, welches beispielsweise auf einem Bildschirm, der mittels der elektronischen Rechenein- richtung 10 angesteuert wird, angezeigt wird, insbesondere in Abhängigkeit von dem Lösen des Optimierungsproblems. Insbe- sondere visualisiert oder veranschaulicht das einfach auch als Diagramm bezeichnete, in FIG 2 gezeigte Sankey-Diagramm die Lösung des Optimierungsproblems, mithin Ergebnisse des Optimierungsproblems beziehungsweise Ergebnisse der Lösung des Optimierungsproblems. Beispielsweise sind die zuvor ge- nannten Knoten in dem Diagramm veranschaulicht, wobei die Knoten in dem Diagramm mit 14a-h bezeichnet sind. Die in dem Diagramm visualisierten Ströme sind mit 16 bezeichnet. Außer- dem werden in dem Diagramm die den jeweiligen Strömen 16 zu- geordneten CO2-Emissionen gezeigt, welche in FIG 2 nur sehr schematisch dargestellt und mit 18 bezeichnet sind. 2 shows a Sankey diagram, which is displayed, for example, on a screen that is controlled by the electronic computing device 10, in particular depending on the solution to the optimization problem. In particular, the Sankey diagram shown in FIG. For example, the aforementioned nodes are illustrated in the diagram, the nodes in the diagram being labeled 14a-h. The currents visualized in the diagram are labeled 16. In addition, the respective currents 16 are assigned in the diagram. ordered CO2 emissions, which are shown only very schematically in FIG. 2 and are designated 18.
Bezugszeichenliste Reference symbol list
10 elektronische Recheneinrichtung10 electronic computing device
12 Pfeil 14a-h Knoten 12 arrow 14a-h knots
16 Strom 16 electricity
18 CO2-Emissionen 18 CO2 emissions
51 erster Schritt 51 first step
52 zweiter Schritt S3 dritter Schritt 52 second step S3 third step
S4 vierter Schritt S4 fourth step

Claims

Patentansprüche Patent claims
1. Verfahren zur Nutzung von ermittelten CO2-Emissionen (18) für den Betrieb von technischen Anlagen (14a-h), bei welchem:1. Method for using determined CO2 emissions (18) for the operation of technical systems (14a-h), in which:
- mittels einer elektronischen Recheneinrichtung (10) Messda- ten (12) ermittelt werden, welche einen jeweiligen Betrieb der technischen Anlagen (14a-h) charakterisieren; - using an electronic computing device (10), measurement data (12) are determined which characterize a respective operation of the technical systems (14a-h);
- mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) auf Basis eines Simulationsmodells, durch welches die technischen An- lagen (14a-h) nachgebildet sind, und auf Basis der Messda- ten (12) eine Simulation durchgeführt wird, in welcher ein jeweiliger Betrieb der technischen Anlagen (14a-h) simu- liert wird; - by means of the electronic computing device (10) based on a simulation model, through which the technical systems (14a-h) are reproduced, and based on the measurement data (12), a simulation is carried out in which a respective operation of the technical Systems (14a-h) are simulated;
- durch die Simulation ein während des simulierten Betriebs zu jedem Zeitschrift der Simulation von der jeweiligen An- lage (14a-h) bereitgestellter und/oder der jeweiligen Anla- ge (14a-h) zugeführter Stoff- und/oder Energiestrom (16) und eine jeweils zugeordnete CO2-Emission (18) ermittelt werden; und - through the simulation, a material and/or energy flow (16) provided by the respective system (14a-h) and/or supplied to the respective system (14a-h) during the simulated operation to each magazine of the simulation and a respective assigned CO2 emission (18) can be determined; and
- der jeweilige Stoff- und/oder Energiestrom (16) und die je- weilige, zugeordnete CO2-Emission (18) als Optimierungsva- riablen eines Optimierungsproblems verwendet werden, wel- ches mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) ge- löst wird. - the respective material and/or energy flow (16) and the respective, assigned CO2 emission (18) are used as optimization variables of an optimization problem, which is solved using the electronic computing device (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der jeweilige Stoff- und/oder Energiestrom (16) und die jeweilige, dem jeweiligen Stoff- und/oder Energiestrom (16) zugeordnete 002-Emission (18) auf einer elektronischen Anzei- ge, die mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) an- gesteuert wird, angezeigt werden. 2. The method according to claim 1, wherein the respective material and/or energy stream (16) and the respective 002 emission (18) assigned to the respective material and/or energy stream (16) are displayed on an electronic display by means of the electronic computing device (10) is controlled, can be displayed.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der jeweilige Stoff- und/oder Energiestrom (16) und die jeweilige, dem jeweiligen Stoff- und/oder Energiestrom (16) zugeordnete 002-Emission (18) in einem Sankey-Diagramm auf der elektronischen Anzeige, die mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) angesteuert wird, angezeigt werden. 3. The method according to claim 2, wherein the respective material and / or energy flow (16) and the respective 002 emission (18) assigned to the respective material and / or energy flow (16) in a Sankey diagram on the electronic display , which is controlled by the electronic computing device (10), are displayed.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die technischen Anlagen (14a-h) in Abhängigkeit von dem Lösen des Optimierungsproblems betrieben werden. 4. Method according to one of the preceding claims, wherein the technical systems (14a-h) are operated depending on the solution to the optimization problem.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Lösung des Optimierungsproblems ein QCQP-Problem formuliert und mittels der elektronischen Recheneinrichtung (10) gelöst wird. 5. Method according to one of the preceding claims, wherein to solve the optimization problem a QCQP problem is formulated and solved by means of the electronic computing device (10).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die technischen Anlagen (14a-h) wenigstens eine Kraft- wärmekopplungsanlage und/oder wenigstens eine Gasturbine und/oder wenigstens einen Pufferspeicher und/oder wenigstens ein Blockheizkraftwerk und/oder wenigstens einen Wasserstoff- tank und/oder wenigstens einen Elektrolyseur umfassen. 6. The method according to any one of the preceding claims, wherein the technical systems (14a-h) have at least one combined heat and power system and/or at least one gas turbine and/or at least one buffer storage and/or at least one combined heat and power plant and/or at least one hydrogen tank and / or include at least one electrolyzer.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messdaten (12) auch Daten umfassen, welche eine Um- gebung der technischen Anlagen (14a-h) charakterisieren. 7. Method according to one of the preceding claims, wherein the measurement data (12) also includes data which characterizes an environment of the technical systems (14a-h).
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Daten eine Umgebungstemperatur der Umgebung charak- terisieren. 8. The method of claim 7, wherein the data characterizes an ambient temperature of the environment.
9. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass eine elektronische Recheneinrichtung (10) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt. 9. Computer program comprising instructions which cause an electronic computing device (10) to carry out the method according to one of claims 1 to 8.
10. Computerlesbares Medium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist. 10. Computer-readable medium on which the computer program according to claim 9 is stored.
PCT/EP2023/065225 2022-06-22 2023-06-07 Method for using determined co2 emissions for the operation of technical installations, computer program and computer-readable medium WO2023247186A1 (en)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102017222899A1 (en) * 2017-12-15 2019-06-19 Robert Benoufa Method, apparatus and computer program product for operating operating units
EP3022611B1 (en) * 2013-09-25 2019-07-10 Siemens Aktiengesellschaft Method for the computer-aided control and/or regulation of a technical system
EP3767770A1 (en) * 2019-07-17 2021-01-20 Siemens Aktiengesellschaft Method for controlling an exchange of energy within an energy system and energy system

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