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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur systematischen Optimierung, Planung und/oder Entwicklungskontrolle
eines Systems, welches mindestens aus Elementen der Bereiche Gebäude und
Gebäudetechnik,
Energieerzeugung, Versorgungsnetze sowie Stadtplanung besteht.
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Vor
dem Hintergrund eines ständig
steigenden weltweiten Energiebedarfs und eines für die Zukunft prognostizierten
weiteren Anstiegs des Weltenergiebedarfs erlangen Maßnahmen
zur Erhöhung der
Effizienz der Energiebereitstellung immer größere Bedeutung. Insbesondere
ist zukünftig
auch mit einem weiteren Anwachsen und der Neuentstehung großstädtischer
Ballungsräume
zu rechnen. Für
eine effiziente Energieversorgung ist es deshalb von großer Bedeutung,
das gesamte städtische
System, einschließlich
der Nachfrageseite, umfassend und konsequent zu analysieren und
auf den erhaltenen quantitativen Daten Modelle aufzubauen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einerseits
einen Altbestand an städtischer
Versorgungsstruktur zu optimieren und andererseits noch zu errichtende
Infrastruktur oder sich entwickelnde Infrastruktur zu optimieren.
Dadurch soll zum einen eine Reduktion des Primärenergieverbrauchs, beispielsweise
einer Stadt, erreicht werden. Weiterhin soll die Optimierung auch
unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten möglich sein. Außerdem soll
eine Energieeinsparung in Haushalten sowie die Reduktion des CO2-Austoßes
erreicht werden.
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Die
oben genannte Aufgabe wurde erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur systematischen
Optimierung, Planung und/oder Entwicklungskontrolle eines Systems,
welches mindestens aus Elementen der Bereiche Gebäude und
Gebäudetechnik,
Energieerzeugung, Versorgungsnetze sowie Stadtplanung besteht, gelöst, wobei
- – unter
Einbeziehung von systemspezifischen Umweltbedingungen durch Optimierungskriterien festgelegte
Optimierungsziele in Bezug auf das System mit Hilfe eines Rechenmodells
mit modularem Aufbau umgesetzt werden, wobei
- – die
Elemente des Systems sowie deren gegenseitige Abhängigkeiten
durch Module des Rechenmodells wiedergegeben werden und
- – die
Module in der Form von Datenbanken Informationen zu erprobten Komponenten,
Systemen und Konzepten sowie insbesondere technische Parameter,
Kosten, Preise, Hersteller und die technische Kombinierbarkeit der
Elemente untereinander beinhalten.
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Insbesondere
ergeben sich dabei Vorteile, wenn es sich bei dem System beispielsweise
um eine Ansiedlung oder einen Ballungsraum handelt, wobei eine systematische
Optimierung, Planung und/oder Entwicklungskontrolle der Energieinfrastruktur
erfolgt. Weiterhin ist auch eine Steuerung oder Überwachung des genannten Systems
entsprechend möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsvariante
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Elemente des Systems sowie deren gegenseitige Abhängigkeiten
durch mindestens folgende Module des Rechenmodells wiedergegeben:
- – ein
Modul Gebäudetechnik,
mindestens umfassend Daten betreffend technische Gebäudeausrüstungen,
Baustandards und Kosten,
- – ein
Modul Versorgungsnetze, mindestens umfassend Daten betreffend Technologien
und Kosten in Abhängigkeit
von lokalen Rahmenbedingungen,
- – ein
Modul Energieerzeugung, mindestens umfassend Daten betreffend Energieerzeugungstechnologien
und -komponenten sowie
- – ein
Modul Stadtplanung, mindestens umfassend Daten betreffend räumliche
Aufsiedlung und zeitliche Aufsiedlung oder Entwicklung der Flächennutzung.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ergeben sich insbesondere Vorteile durch die optimierte Kombination
von Systemen und Komponenten zum Aufbau urbaner Energieversorgungssysteme. Dabei
wird das gesamte Spektrum der Technologien in seiner Wechselwirkung
betrachtet. Dieses Spektrum reicht von zentralen, dezentralen und
regenerativen Erzeugungssystemen bis hin zu neuen bauphysikalischen
Technologien und Materialen zur Reduktion des Energiebedarfs von
Gebäuden.
Dabei kann ein maximaler Effekt beim Planen von neuen Städten erzielt
werden, weil alle Systeme der Energieversorgung konsequent aufeinander
abgestimmt werden können.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass in Abhängigkeit
von den gegebenen Umweltbedingungen des Standortes, wie zum Beispiel
dem Klima, die optimale Gebäudetechnik
für die
unterschiedlichsten Gebäudetypen,
wie Wohnhäuser,
Wohnhochhäuser,
Bürohochhäuser, öffentliche
Gebäude usw.
ermittelbar sind. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können erstmals
die Auswirkungen neuer Techniken und Technologien sowie verändertes
Kundenverhalten und veränderte
Umweltbedingungen auf urbane Energiesysteme dargestellt werden.
Das ermöglicht,
einen Handlungsbedarf frühzeitig
zu erkennen, einen durch veränderte
Rahmenbedingungen und verändertes
Kundenverhalten ausgelösten „demand/marketpull" vorherzusagen, technologische Neuerungen
und Trends und ihre Auswirkungen auf das urbane System zu bewerten
und den „technology-push"-Ansatz zur Entwicklung
neuer Versorgungstechnologien zielgerichtet zu planen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden weiterhin ein Modul für
die Visualisierung der Eingangsdaten und Ergebnisse, ein Modul zur
Verwaltung verschiedener Szenarien in einem Projekt, ein Modul zur
Festschreibung von Referenzentwicklungen sowie zur Kalibrierung
des betrachteten Planungsgebietes auf eine historische Entwicklung und/oder
ein Modul einer übergeordneten
Technologiedatenbank für
die Sammlung und Dokumentation von Technologiebausteinen verwendet.
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Ferner
ist es von Vorteil, wenn mit Hilfe des Rechenmodells aus den von
den Modulen übergebenen
Modelldaten formalisierte Gleichungen zur mathematischen Beschreibung
eines linearen oder gemischt ganzzahligen Optimierungsproblems generiert
werden und anschließend
das übergebene
Optimierungsproblem mit Hilfe eines Algorithmus zur iterativen Berechnung
der besten Kombination der Elemente der Module gelöst wird.
Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn das übergebene Optimierungsproblem
mit Hilfe des Simplex-Algorithmus
gelöst
wird.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung werden mit Hilfe
des Moduls für
die Visualisierung Eingangsdaten und Ergebnisse aggregiert und gefiltert,
ein Referenzenergiesystem dargestellt und geographische Darstellungen
produziert. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Optimierungsziele
gegenüber
einer Referenzentwicklung die Reduktion des Primärenergieverbrauchs und/oder
die Reduktion der CO2-Emissionen und/oder
die gesamtwirtschaftlichen Kosten betreffen.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn die Ergebnisse der Optimierung durch ein
Modul zur detaillierten Ausarbeitung von Geschäftsmodellen für Teilbereiche
des Systems weiterverwendet werden.
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Im
Sinne dieser Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung für die Durchführung des
oben beschriebenen Verfahrens. Eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung
zur systematischen Optimierung, Planung und/oder Entwicklungskontrolle
eines Systems, welches mindestens aus Elementen der Bereiche Gebäude und
Gebäudetechnik,
Energieerzeugung, Versorgungsnetze sowie Stadtplanung besteht, enthält
- – ein
oder mehrere Mittel zur Umsetzung festgelegter Optimierungsziele
in Bezug auf das System mit Hilfe eines Rechenmodells mit modularem Aufbau
unter Einbeziehung von systemspezifischen Umweltbedingungen und
von Optimierungskriterien, wobei
- – die
Elemente des Systems sowie deren gegenseitige Abhängigkeiten
durch Module des Rechenmodells wiedergegeben werden und
- – die
Module in der Form von Datenbanken Informationen zu erprobten Komponenten,
Systemen und Konzepten sowie insbesondere technische Parameter,
Kosten, Preise, Hersteller und die technische Kombinierbarkeit der
Elemente untereinander beinhalten.
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Besondere
Vorteile ergeben sich, wenn die Elemente des Systems sowie deren
gegenseitige Abhängigkeiten
durch mindestens folgende Module des Rechenmodells wiedergegeben
werden:
- – ein
Modul Gebäudetechnik,
mindestens umfassend Daten betreffend technische Gebäudeausrüstungen,
Baustandards und Kosten,
- – ein
Modul Versorgungsnetze, mindestens umfassend Daten betreffend Technologien
und Kosten in Abhängigkeit
von lokalen Rahmenbedingungen,
- – ein
Modul Energieerzeugung, mindestens umfassend Daten betreffend Technologien,
Komponenten und Versorgungskonzepte und
- – ein
Modul Stadtplanung, mindestens umfassend Daten betreffend räumliche
Aufsiedlung und zeitliche Aufsiedlung oder Entwicklung der Flächennutzung.
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Eine
vorteilhafte Weiterentwicklung der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthält als weitere
Module ein Modul für
die Visualisierung, ein Modul zur Verwaltung verschiedener Szenarien
in einem Projekt und ein Modul zur Festschreibung von Referenzentwicklungen
sowie zur Kalibrierung auf eine historische Entwicklung eines bestehenden
Systems und/oder ein Modul einer übergeordneten Technologiedatenbank
für die
Sammlung und Dokumentation von Technologiebausteinen.
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Von
Vorteil ist es ferner, wenn das Modul für die Visualisierung Mittel
für die
Aggregation und Filterung von Eingangsdaten und Ergebnissen, ein
Mittel für
die Darstellung eines Referenzenergiesystems und ein Mittel für eine geographische
Darstellung enthält.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn die Mittel zur Energieerzeugung beispielsweise
mit fossilen Rohstoffen betriebene Kraftwerke, Solarenergieanlagen,
Brennstoffzellen, Wasserkraftanlagen, Windkraftanlagen, Biomasseanlagen,
Wärmepumpen,
geothermische Anlagen, Meeresenergiekraftwerke, Wellenkraftwerke
und/oder Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen
sind.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterentwicklung enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung
weiterhin ein Modul zur Weiterverarbeitung der Ergebnisse der Optimierung
für die
detaillierte Ausarbeitung von Geschäftsmodellen für Teilbereiche
des Systems. Eine derartige Vorrichtung kann besonders vorteilhaft
zur detaillierten Ausarbeitung von Geschäftsmodellen für Teilbereiche
des Systems auf Grundlage der Ergebnisse der Optimierung verwendet
werden.
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Im
Sinne der vorliegenden Erfindung ist ebenfalls ein Computerprogramm
mit Programmcode zur Durchführung
aller oben genannten Verfahrensschritte, wenn das Programm in einem
Computer ausgeführt
wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Computerprogramm
durch die Zusammenarbeit von drei Programmebenen, Steuerung und
Datenhaltung, Modellgenerator und Solver arbeitet, wobei jede Programmebene
aus einem oder mehreren Programmen und/oder Datenbanken besteht.
Ferner ist es von Vorteil, wenn
- – die Programmebene
zur Steuerung und Datenhaltung den gesamten Programmablauf kontrolliert,
Datenbanken mit darin gespeicherten Eingangsdaten und Ergebnissen
von Optimierungsläufen
enthält
und mindestens die Module Gebäudetechnik,
Energieerzeugung, Versorgungsnetze, Stadtplanung sowie ein Modul
zur Visualisierung von Eingangsdaten und Ergebnissen umfasst,
- – die
Programmebene Modellgenerator aus den übergebenen Modelldaten formalisierte
Gleichungen zur mathematischen Beschreibung eines linearen oder
gemischt ganzzahligen Optimierungsproblems bildet und
- – die
Programmebene Solver das übergebene Optimierungsproblem
mit Hilfe eines Algorithmus löst.
Dazu kann beispielsweise ein Simplex-Algorithmus verwendet werden.
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Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn die Programmebene zur Steuerung und Datenhaltung
weiterhin ein Modul zur Verwaltung verschiedener Szenarien in einem
Projekt, ein Modul zur Festschreibung von Referenzentwicklungen
sowie zur Kalibrierung auf eine historische Entwicklung eines bestehenden
Systems und/oder ein Modul einer übergeordneten Technologiedatenbank
für die
Sammlung und Dokumentation von Technologiebausteinen enthält.
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Als
erfindungsgemäß wird weiterhin
ein Computerprogramm gemäß einer
der oben beschriebenen Ausführungsvarianten
mit Programmcode angesehen, wobei der Programmcode auf einem maschinenlesbaren
Träger
gespeichert ist, wenn das Programm in einem Computer ausgeführt wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
eignet sich insbesondere zur Optimierung, Planung und/oder Entwicklungskontrolle
eines bestehenden oder geplanten urbanen Versorgungssystems in Bezug
auf den Energiebedarf. Eine Erweiterung um Wasserver- und entsorgung
sowie Abfallentsorgung ist möglich.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen
im Zusammenhang mit einigen Ausführungsbeispielen
dargestellt.
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Es
zeigen:
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1 ein
Rechenmodell für
ein Versorgungssystem als Rechenfluss
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2 ein
Rechenmodell für
ein Versorgungssystem als iterativer Optimierungsprozess und
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3 Programmebenen
und deren Zusammenspiel.
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Aus
der 1 ergibt sich ein beispielhaftes Rechenmodell
für ein
Versorgungssystem. In diesem schematisch dargestellten Rechenfluss
können
zunächst
verschiedene Eingaben 1, wie Umweltbedingungen, Lebensgewohnheiten,
Klimabedingungen, Gebäudetypen
oder Gebäudetechniken,
vorgegeben werden und nach Speicherung und Bearbeitung durch das
Modul Gebäudetechnik 2 zu
einem ersten Zwischenergebnis 3 weiterverarbeitet werden.
Dieses Zwischenergebnis 3 beinhaltet gemäß diesem Ausführungsbeispiel
den zeitlich aufgelösten
Jahresenergiebedarf der Gebäudetypen,
Investitionen und Betriebskosten. Die Daten des ersten Zwischenergebnisses 3 werden
dann im Modul Stadtplanung 4 zu einem zweiten Zwischenergebnis 5 weiterverarbeitet.
Das zweite Zwischenergebnis 5 enthält in diesem Beispiel die zeitliche
und räumliche
Entwicklung des Energiebedarfs einer Stadt und den zeitlichen Verlauf
der Invest- und
O&M-Kosten, welche
anschließend
mit Hilfe des Moduls Energieerzeugung 6 und unter Vorgabe
einer Erzeugungsstrategie 10 zum dritten Zwischenergebnis 7 weiterverarbeitet werden.
Dieses dritte Zwischenergebnis 7 beinhaltet die zeitliche
Entwicklung der räumlichen
Verteilung des quantifizierten Energiebedarfs und des Kraftwerksparks
sowie der Standorte und wird anschließend mit Hilfe des Moduls Netze 8 und
der Vorgabe von Redundanzstrategien 11 zu einem ersten
Ergebnis 9 unter Vorgabe weiterer Optimierungskriterien 12 verarbeitet.
Das Ergebnis 9 stellt in diesem Beispiel eine Gesamtplanung
einer Stadt dar, einschließlich
der Daten zum Verlauf der Investitionen, dem Verlauf der Betriebskosten,
dem Primärenergieverbrauch,
Emissionen und betriebswirtschaftlicher Kennzahlen.
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Gemäß der 2 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Rechenmodells für
ein Versorgungssystem als iterativer Optimierungsprozess dargestellt. Dazu
wird unter Vorgabe bzw. Variation von Optimierungskriterien 13 das
Ergebnis 9 betreffend die Gesamtplanung der Stadt iterativ
optimiert. Dazu werden Informationen zur Korrektur der Gebäudeausstattung 14,
der Korrektur der Erzeugungsstrategie 15 und der Korrektur
der Redundanzstrategie 16 an das Modul Gebäudetechnik 2,
das Modul Energieerzeugung 6 bzw. das Modul Versorgungsnetze 8 weitergeleitet
und der iterative Optimierungsprozess unter weiterer Einbeziehung
des Moduls Stadtplanung 4 entsprechend durchgeführt.
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Gemäß der 3 wird
das erfindungsgemäße Verfahren
als Optimierungsprogramm auf einem Computer ausgeführt. Dieses
ermöglicht
die kostenoptimale Gestaltung der Entwicklung einer Stadt unter
vorgegebenen Randbedingungen. Dazu ist das Programm modular aufgebaut
und den zentralen Teil stellt ein Steuerungsmodul mit verschiedenen
Mitteln dar. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
werden die Eingabeparameter, geographische Informationen zum Standort,
die zu betrachtenden Nutzenergieformen sowie die Lebensgewohnheiten
der anzusiedelnden Bevölkerung
verarbeitet. Des weiteren können
exogen vorgegeben werden: Die verschiedenen Gebäude- und Industrietypen, die
an dem Standort angesiedelt werden sollen und die Anzahl der Gebäude- bzw.
Industrietypen, die im Zeitverlauf bezogen auf die gesamte Stadt
angesiedelt werden sollen sowie die Ausstattungs- und Wärmeschutzoptionen der
Gebäude
unter Berücksichtigung
der Gebäudetechniken.
Das bedeutet, dem Modell wird prinzipiell vorgegeben, in welchem
Jahr welche Gebäude-
bzw. Industrietypen über
die gesamte Stadt vorhanden sein müssen. In welchen Stadtteilen
aber konkret diese Gebäude
bzw. Industrietypen errichtet werden, kann – falls gewünscht – mit Hilfe des Modells identifiziert
werden.
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Das
Modell ermittelt auf dieser Basis die kostenminimale Kombination
aus Geräteausstattung
je Gebäudetyp,
zu bauenden Kraftwerken und zu installierenden Netzen, wobei zusätzlich die
Emission von verschiedenen Schadstoffen und Treibhausgasen bilanziert
werden. Das Modell wird als lineare bzw. linear/gemischt ganzzahlige
Optimierung implementiert mit der Zielfunktion der Minimierung aller
auf das Basisjahr diskontierten entscheidungsrelevanten Systemausgaben.
Bei der Wahl der Zielfunktion und der Auswertung können verschiedene
Sichtweisen vorgegeben werden. Treibende Größe des Modells sind die mit
Hilfe der vorgegebenen Lebensgewohnheiten und geographischen In formationen
berechneten Nutzflächennachfragen
oder Nutzenergienachfragen, beispielsweise Kälte, Wärme oder Strom, in den verschiedenen
Gebäudetypen.
Zur Nachbildung dieser Nachfrage wird der gesamte Planungshorizont, beispielsweise
10–30
Jahre, im Modell in einzelne Perioden, beispielsweise Stützjahr 2010,
Stützjahr 2015
usw. unterteilt, wobei jede dieser Perioden wiederum in Zeitintervalle
untergliedert ist. Die Zeitintervalle dienen der Nachbildung der
Energienachfrage mit Hilfe von Lastkurven an charakteristischen
Tagen. Die Struktur der Zeitintervalle ist zur Beginn des Projekts
je nach Anforderungen zu spezifizieren, das heißt, es ist festzulegen, wie
die Struktur der Zeitintervalle innerhalb eines Jahres festgelegt
werden soll, Aufteilung des Jahres nach Monten oder Jahreszeiten
und Aufteilung innerhalb eines Tages.
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Im
Optimierungsmodell sind des Weiteren Gleichungen vorgesehen, die
dafür sorgen,
dass die berechneten Nutzenergiebedarfe jederzeit mit Hilfe des
zu installierenden Energiesystems bereitgestellt werden können. Dazu
vergleicht das Modell Investitionsmöglichkeiten in die Gebäudetechnik,
wie beispielsweise in effiziente Dämm-Maßnahmen bzw. in Wärme- bzw.
Kältebereitstellungsmaßnahmen,
mit energieangebotsseitigen Optionen, wie beispielsweise der Errichtung
hocheffizienter zentraler Kraftwerke oder einer sehr stark dezentralen
Strom- und Wärmebereitstellung.
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Das
Optimierungsmodell ermöglicht
es demzufolge, regionale Besonderheiten innerhalb der Stadt zu berücksichtigen
und gewährleistet
somit einen Vergleich einer sehr stark dezentralen Versorgung mit
einer zentral geprägten
Versorgung. Aber nicht nur energienachfrageseitige und energieangebotseitige
Optionen werden simultan optimiert, sondern es ist auch zu berücksichtigen,
wann der optimale Zeitpunkt für
Investitionen ist. Hier stellt sich das Optimierungsproblem, entweder
zu einem relativ frühen
Zeitpunkt in eine Energiebereitstellungsanlage zu investieren und
dann einige Jahre während
der Aufsiedlung Überkapazitäten vorzuhalten
oder eher später
in Bereitstellungsmaßnahmen
zu investieren und in den vorangegangen Jahren die benötigten Energien
fremd zu beziehen. Ein besonderes Optimierungspotenzial liegt darin,
dass mit Hilfe des Modells identifiziert werden kann, in welchen
Teilen der Stadt wann aufgesie delt werden sollte. Da diese Optimierungsfunktion
aber nicht immer sinnvoll ist, kann sie jederzeit ausgeschaltet
werden. Da speziell auf der Nachfrageseite nicht immer alle Akteure
nach rein wirtschaftlichen Kriterien entscheiden, können in
das Modell Restriktionen implementiert werden, die einzelne Teile
der Entwicklung auf einen prognostizierten Verlauf zwingen. Ferner
ist es möglich,
das gesamte Modell auf eine Referenzentwicklung (Baseline) zu zwingen,
um einen Vergleichsfall für
andere Szenarien zu haben.
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Ein
solches erfindungsgemäßes Programm hat
weiterhin den Vorteil, dass es das einfache Einpflegen von entsprechenden
Daten ermöglicht,
aber nicht schon von vornherein sämtliche der benötigten Daten
enthalten muss.
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Das
Programm funktioniert durch das Zusammenspiel von 3 Programmebenen,
nämlich
der Ebene Steuerung und Datenhaltung 17, der Ebene Modellgenerator 18 und
der Ebene Solver 19. Das Zusammenspiel der einzelnen Programmebenen und
die Schnittstellen zwischen ihnen sind schematisch in 3 dargestellt.
Dabei kann jede Programmebene aus einem oder mehreren Programmen
und/oder Datenbanken bestehen. Die Programmebene Steuerung und Datenhaltung 17 kontrolliert
den gesamten Programmablauf. Sie enthält auch Datenbanken, in denen
Eingangsdaten und Ergebnisse von Optimierungsläufen gespeichert werden. Diese
Daten können über verschiedene
Module eingegeben und manipuliert werden, wobei verschiedene Mittel
zur Visualisierung und Aggregierung von Eingangsdaten und Ergebnissen
zur Verfügung
stehen.
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Die
Programmebene Modellgenerator 18 generiert aus den übergebenen
Modelldaten formalisierte Gleichungen zur mathematischen Beschreibung
eines linear/gemischt ganzzahligen Optimierungsproblems.
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Die
Programmebene Solver 19 löst das übergebene Optimierungsproblem
beispielsweise mit Hilfe des Simplex-Algorithmus. Die Lösung wird
an die Ebene Modellgenerator 18 übergeben, dort aufbereitet
und zur Speicherung an die Ebene Steuerung und Datenhaltung 17 übergeben.
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Die
Programmebene Steuerung und Datenhaltung 17 kontrolliert
den gesamten Programmablauf. Sie enthält Datenbanken, in denen Eingangsdaten
und Ergebnisse von Optimierungsläufen
gespeichert werden. Ferner enthält
sie die Module Gebäudetechnik 2', Stadtplanung 4', Erzeugung 6', Netze 8' sowie ein Modul
zur Ermöglichung
der Visualisierung von Eingangsdaten und Ergebnissen jeweils mit
entsprechenden Oberflächen
zur Dateneingabe.
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Die
Programmebene Steuerung und Datenhaltung 17 kann beispielsweise
auf einer Programmierung in VBA oder „.NET" basieren. Weiterhin können über geeignete
Schnittstellen weitere Programme angesteuert werden und Ergebnisse
von diesen übernommen
werden. Das kann beispielsweise eine dynamische Gebäudesimulation
zur Ermittlung von Nachfragelastkurven sein. Weitere Möglichkeiten sind
ein Programm zur Netzauslegung oder ein geographisches Informationssystem
(GIS) zur Darstellung und Verarbeitung von räumlichen Informationen, wie
beispielsweise der Aufsiedlungscluster einer Stadtplanung.
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Mit
Hilfe des Moduls Gebäudetechnik 2' sollen verschiedene
Typgebäude
definiert werden. Es kann dem Optimierungsmodell eine Auswahl von verschiedenen
Gebäudeklassen
und Ausstattungsmerkmalen sowie eine Nachfrage nach Wohnraum je Gebäudeklasse
vorgegeben werden. Ferner kann die Möglichkeit von energetischen
Sanierungen bestehender Gebäude
berücksichtigt
werden.
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Für diese
Typgebäude
werden dann Heiz- und ggf. Kühllastkurven
berechnet. Hierzu greift das Modul Gebäudetechnik 2' auf Daten von
Vorprogrammen, beispielsweise dynamische Gebäudesimulation oder Auslegungsprogramme,
zurück.
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Auch
im Bereich der elektrischen Haushaltsgeräte können Geräteklassen, beispielsweise Waschen,
Kühlgeräte usw.
definiert werden und innerhalb jeder Klasse Gerätevarianten, beispielsweise Standard.
Niedrigenergie usw. als Prozesse beschrieben werden.
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Das
Modul Gebäudetechnik 2' generiert aus den
Eingabedaten den entsprechenden Teil des Referenzenergiesystems,
das heißt
die entsprechenden Prozesse und Energieträger sowie deren Verknüpfung zur Übergabe
an den Modellgenerator der Ebene Modellgenerator 18. Beispielsweise
können
die spezifischen Kosten, Effizienzen und Lastkurven der Prozesse
vom Modul Gebäudetechnik 2' vorgegeben werden.
Historische Bestände/Kapazitäten zum
Modellbeginn und Treiber (Nachfrage nach Wohnfläche) werden zwischen den Modulen
Gebäudetechnik 2' und Stadtentwicklung 4' abgeglichen.
Hierzu sind mehrere Schritte nötig,
ggf. kann die Entwicklung über
ein Mittel zur Kalibrierung einem gemessenen historischen Bedarf
und statistischen Daten zur Wohnraumentwicklung angepasst werden.
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Im
Modul Stadtplanung 4' wird
die Entwicklung der so genannten „Treiber" der Entwicklung festgelegt. Dies sind
beispielsweise die Entwicklung der Nutzflächen je Gebäudeklassen oder Einwohnerzahlen
nach Stadtvierteln oder auf Siedlungsclustern im zeitlichen Verlauf.
Im Fall bestehender Städte
werden auch historische Kapazitäten
zu Modellbeginn in Zusammenspiel mit dem Modul Gebäudetechnik 2' festgelegt.
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Das
Modul Energieerzeugung 6' dient
der Eingabe der Daten von Erzeugungseinheiten sowie deren Verknüpfung im
Referenzenergiesystem. Es wird die Erzeugung von (Fern-)Wärme, Kälte und Strom
betrachtet. Das Modul stellt eine Oberfläche bereit zur Eingabe der
technischen und ökonomischen
Parameter von zentralen und dezentralen Erzeugungsanlagen sowie
deren Verknüpfung
mit den Netzen und Nachfrageknoten. Das Modul Versorgungsnetze 8' dient entsprechend
der Eingabe von technischen und ökonomischen
Parametern der Netze.
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Die
Visualisierung von Eingangsdaten und Ergebnissen ist ein wesentlicher
Teil für
die praxisrelevante Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine gute Visualisierung
unterstützt
den Anwender bei der richtigen und konsistenten Dateneingabe, einer
guten und konsistenten Interpretation der Ergebnisse und der anschaulichen
Vermittlung der Ergebnisse an die Entscheidungsträger, so dass
geeignete Maßnahmen
zur Umsetzung eingeleitet werden können oder automatisch ausgeführt werden.
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Das
Modul Visualisierung 20 soll im Endausbau folgende Mittel
zur Darstellung enthalten: Ein Mittel zur Aggretation und Filterung
von Eingangsdaten und Ergebnissen 24, ein Mittel zur Darstellung des
Referenzenergiesystems 25 sowie ein Mittel zur geographischen
Darstellung 26.
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Die
Ergebnisse können
in verschiedener Weise aggregiert und verknüpft werden. Die Ergebnisse
dieser Berechnungen können
als Grafiken und Tabellen dargestellt werden. So kann es sinnvoll
sein, bei der Analyse der Ergebnisse eines Szenarios beispielsweise
zunächst
die Entwicklung der Stromnachfrage der gesamten Stadt zu betrachten,
danach aber im Detail die Nachfrage des Industriesektors in einem
bestimmten Stadtviertel. Auch eine Verknüpfung mit den Eingangsdaten
kann sinnvoll sein, wie beispielsweise eine Filterung nach Techniken,
die bestimmten Kriterien genügen.
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Durch
die Vorhaltung der Daten in SQL-fähigen Datenbanken wird eine
solche Auswertung unterstützt.
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Bei
komplexen Problemen ist eine Visualisierung der Verknüpfung von
Prozessen und Energieträgern
sinnvoll. Die programmtechnische Umsetzung kann dabei beispielsweise
auf Zeichungsobjekte in Microsoft Excel zurückgreifen.
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Das
Modul Szenarien 21 dient der Verwaltung verschiedener Szenarien
in einem Projekt. Im Allgemeinen werden sich in verschiedenen Szenarien
vor allem die Randbedingungen, wie Bevölkerungsentwicklung, Energiepreisentwicklung
oder dem System aufgezwungene Emissionseinsparungen, ändern. Es
ist aber auch grundsätzlich
möglich, dass
sich gegenüber
den Grundszenarien die spezifischen Kosten beispielsweise für eine ganze
Reihe von Technologien ändern.
Solche Manipulationen auch größerer Datenmengen
sollen über
das Modul Szenarien 21 möglich sein. Insbesondere können dabei
die Unterschiede der Eingabedaten zwischen 2 verschiedenen Szenarien
im Nachhinein überprüft werden.
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Mit
dem Modul Baseline 22 ergeben sich weitere Vorteile: Es
ermöglicht,
mit denselben Grundannahmen sowohl eine prognostizierte Referenzentwicklung
zu rechnen als auch eine Optimierung. Hierzu ist es möglich, dem
Modell eine Referenzentwicklung vorzugeben, bei der alle oder viele Parameter
festgeschrieben sind. Dabei handelt es sich dann eher um eine Simulation.
Ein Mittel zur Unterstützung
dieses Moduls kann beispielsweise folgende Funktionen erfüllen: Eine
Vorgabe aller Parameter, wie beispielsweise die zeitliche und räumliche Entwicklung
der Gebäudeklassen
und der Ausstattungsmerkmale, die Möglichkeiten zur gleichzeitigen Manipulation
einer Vielzahl von Grunddaten, wie beispielsweise die Multiplikation
aller Wirkungsgrade einer gefilterten Gruppe von Prozessen sowie
die Variation der Bedingungen und ein Vergleich der Ergebnisse.
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Bei
bestehenden Städten
kann der gesamte Energiebedarf, wie beispielsweise des Gebäudebestandes,
mit gemessenen historischen Entwicklungen abgeglichen werden. Dabei
handelt es sich um einen iterativen Prozess zwischen den Annahmen
zu den Mustergebäuden
und dem resultierenden Energiebedarf. Dazu kann zur Unterstützung ein
Mittel verwendet werden, welches auf dem oben beschriebenen Mittel
zur Festschreibung von Referenzentwicklungen 25 basieren
kann.
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Ein
Modul Technologiedatenbank 23 kann beispielsweise in einer
späteren
Phase nachgerüstet werden
und stellt eine Sammlung und Dokumentation von Technologiebausteinen
dar, welche im Laufe der Zeit weiter aufgefüllt wird. So können Erfahrungen
aus früheren
Projekten weiterverwendet werden. Einzelne Prozesse, aber auch komplette
Teile eines Referenzenergiesystems, sollen dann in neue Projekte übernommen
werden.
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Die
Programmebene Modellgenerator 18 generiert aus den übergebenen
Modelldaten formalisierte Gleichungen zur mathematischen Beschreibung
eines linearen/gemischt ganzzahligen Optimierungsproblems. Mögliche Stadtentwicklungen
können
aus verschiedenen Sichtweisen bewertet werden. Bei der Entwicklung
einer Stadtplanung sind viele verschiedene Akteure mit unterschiedlichen
Interessen beteiligt. Dabei kann die Bewertung der Gesamtkonzeption
der Energieversorgungsinfrastruktur aus 4 Perspektiven erfolgen:
Im Hinblick auf die volkswirtschaftliche Gesamtsicht, aus der Perspektive
des Investors in die Energieinfrastruktur, des Immobilienbesitzers
oder aus der Umweltsicht, wobei methodisch jeweils ein gesamtwirtschaftlicher
Kostenvergleich, eine Cashflow-Analyse,
eine Amortisationsberechnung bzw. der Primärenergieverbrauch oder die
Emissionen zu Grunde gelegt werden. Diese verschiedenen Sichtweisen
können
auf zwei Arten in dem Programm berücksichtigt werden: Einerseits
die volkswirtschaftliche Optimierung und Auswertung für alle der
genannten Sichtweisen und andererseits eine Optimierung mit konkurrierenden
Zielfunktionen.
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Der
Programmebene Solver 19 stehen zur Lösung linear/gemischt ganzzahliger
Optimierungsprobleme verschiedene praxiserprobte kommerzielle Solver
zur Verfügung.
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- 1
- Eingaben
- 2,
2'
- Modul
Gebäudetechnik
- 3
- erstes
Zwischenergebnis
- 4,
4'
- Modul
Stadtplanung oder Stadtentwicklung
- 5
- zweites
Zwischenergebnis
- 6,
6'
- Modul
Energieerzeugung
- 7
- drittes
Zwischenergebnis
- 8,
8'
- Modul
Versorgungsnetze
- 9
- Ergebnis
- 10
- Vorgabe-Erzeugungsstrategie
- 11
- Vorgabe-Redundanzstrategie
- 12
- Vorgabe-Optimierungskriterien
- 13
- Vorgabe
oder Variation-Optimierungskriterien
- 14
- Korrektur-Gebäudeausstattung
- 15
- Korrektur-Erzeugungsstrategie
- 16
- Korrektur-Redundanzstrategie
- 17
- Programmebene
Steuerung und Datenhaltung
- 18
- Programmebene
Modellgenerator
- 19
- Programmebene
Solver
- 20
- Modul
Visualisierung
- 21
- Modul
Szenarien
- 22
- Modul
Baseline
- 23
- Modul
Technologiedatenbank
- 24
- Mittel
Aggregation oder Filterung
- 25
- Mittel
Referenzenergiesystem, zur Festschreibung von Referenz-entwicklungen
- 26
- Mittel
GIS-Darstellung, für
geographische Darstellungen