DE102019200738A1

DE102019200738A1 - Computergestütztes Verfahren zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems sowie Energiemanagementsystem

Info

Publication number: DE102019200738A1
Application number: DE102019200738.4A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Thiem
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2020-07-23
Also published as: AU2023202081A1; AU2020211656A1; EP3857429A1; KR20210100730A; WO2020151927A1; US20210390228A1; CN113316787A; KR102614614B1

Abstract

Es wird ein computergestütztes Verfahren zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems (1) mit wenigstens einer Komponente (11,...,19) vorgeschlagen, das wenigstens die folgenden Schritte umfasst:- Modellieren des Energiesystems (1) als Optimierungsproblem, wobei das Optimierungsproblem wenigstens Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente (11,...,19) sowie jeweils zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörige Schattenpreise als Optimierungsvariablen aufweist;- Berechnen der Energieaufnahmen, der Energieabgaben und der jeweils zugehörigen Schattenpreise durch ein numerisches Lösen des Optimierungsproblems;- Berechnen einer ersten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieaufnahmen;- Berechnen einer zweiten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieabgaben;- Berechnen einer Fehldimensionierungsgröße der Komponente (11,...,19) mittels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Summe, sowie mittels der Investitionskosten und Betriebskosten der Komponente (11,..., 19); und- Ermitteln einer Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente (11,...,19) in Abhängigkeit der berechneten Fehldimensionierungsgröße. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energiemanagementsystem zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems (1) mit wenigstens einer Komponente (11,...,19).

Description

Die Erfindung betrifft ein computergestütztes Verfahren zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems. Hierbei ermöglicht die Simulation einen möglichst effizienten Betrieb des Energiesystems. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Energiemanagementsystem zur Simulation des Betriebes des Energiesystems.
Typischerweise wird versucht ein Energiesystem möglichst effizient, beispielsweise möglichst energetisch effizient, zu betreiben. Bei bestehenden Energiesystemen sind die Möglichkeiten der Optimierung typischerweise auf die bereits installierten beziehungsweise bestehenden Komponenten beschränkt. Das bestehende Energiesystem gibt somit die Randbedingungen bezüglich der Optimierung vor.
Nach dem Stand der Technik wird der Betrieb des Energiesystems manuell optimiert. Beispielsweise wird bei einem Ausfall einer Komponente, aus betriebswirtschaftlichen Gründen und/oder innovationstechnischen Gründen, mittels einer manuellen Optimierung die Auslegung des Energiesystems neu ermittelt. Dies erfolgt beispielsweise mittels eines Energiesystemdesignverfahrens beziehungsweise mittels eines Energiesystemdesigns. Eine Fehldimensionierung, das heißt eine Überdimensionierung oder Unterdimensionierung einer der Komponenten des Energiesystems, kann nachträglich, das heißt für bereits bestehende beziehungsweise installierte Energiesysteme hierbei nicht festgestellt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fehldimensionierung einer Komponente eines bereits bestehenden Energiesystems festzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch ein Energiemanagementsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 9 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße computergestützte Verfahren zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems mit wenigstens einer Komponente, umfasst wenigstens die folgenden Schritte:

- Modellieren des Energiesystems als Optimierungsproblem, wobei das Optimierungsproblem wenigstens Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente sowie jeweils zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörige Schattenpreise als Optimierungsvariablen aufweist;
- Berechnen der Energieaufnahmen, der Energieabgaben und der jeweils zugehörigen Schattenpreise durch ein numerisches Lösen des Optimierungsproblems;
- Berechnen einer ersten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieaufnahmen;
- Berechnen einer zweiten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieabgaben;
- Berechnen einer Fehldimensionierungsgröße der Komponente mittels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Summe, sowie mittels der Investitionskosten und der Betriebskosten der Komponente; und
- Ermitteln einer Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente in Abhängigkeit der berechneten Fehldimensionierungsgröße.

Erfindungsgemäß wird das Problem der vorliegenden Erfindung durch die Formulierung eines (mathematischen) Optimierungsproblems basierend auf ein Energiesystemdesignproblem des Energiesystems gelöst. Hierzu wird in einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens das Energiesystem beziehungsweise der Betrieb des Energiesystems als Optimierungsproblem formuliert beziehungsweise modelliert. Hierbei sind die Variablen des Optimierungsproblems wenigstens die Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente sowie jeweils die zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörigen Schattenpreise. Es werden daher die Werte der genannten Variablen möglichst optimal durch das Lösen des Optimierungsproblem berechnet. Mit anderen Worten werden die Energieaufnahmen, die Energieabgaben sowie die zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörigen Schattenpreise durch ein numerisches Lösen des Optimierungsproblems berechnet. Beim Modellieren des Energiesystems als Optimierungsproblem wird die bestehende Auslegung des Energiesystems berücksichtigt, beispielsweise über Randbedingungen beziehungsweise Nebenbedingungen des Optimierungsproblems. Typischerweise wird das Energiesystem mittels einer Zielfunktion des Optimierungsproblems modelliert, wobei die Zielfunktion wenigstens die genannten Variablen und Parameter umfasst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus den mittels des Lösens des Optimierungsproblems berechneten Energieaufnahmen, Energieabgaben und zugehörigen Schattenpreisen (beziehungsweise mittels deren berechneten Werte) die erste und zweite Summe berechnet. Hierbei wird die erste Summe mittels der den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieaufnahmen gebildet. Die zweite Summe wird mittels der den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieabgaben gebildet.
In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Fehldimensionierungsgröße der Komponente wenigstens mittels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Summe berechnet. Eine Subtraktion der ersten Summe von der zweiten Summe ist ebenfalls denkbar und zur vorliegenden Erfindung äquivalent. Erfindungsgemäß werden ebenfalls die Investitionskosten sowie die Betriebskosten der Komponente berücksichtigt. Die Betriebskosten und Investitionskosten können derart berücksichtigt werden, dass diese beispielsweise zur ersten Summe addiert werden. Mit anderen Worten umfasst die erste Summe alle Energieaufnahmen gewichtet mit den zugehörigen Schattenpreisen der Komponente. Die Betriebskosten und Investitionskosten können somit ebenfalls als eine preislich gewichtete Energieaufnahme interpretiert werden. Mit anderen Worten hängt die Fehldimensionierung der Komponente von der Differenz zwischen der ersten Summe und der zweiten Summe sowie von den Betriebskosten und Investitionskosten der Komponente ab.
Mittels der Fehldimensionierungsgröße kann eine Fehldimensionierung der Komponente, das heißt eine Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente, festgestellt werden. Mit anderen Worten wird in einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens die Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente basierend oder in Abhängigkeit der berechneten Fehldimensionierung ermittelt.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass dieses für bereits bestehende Energiesysteme durchführbar ist. Somit kann festgestellt werden, ob eine Komponente des Energiesystems unter realen Bedingungen beziehungsweise Randbedingungen innerhalb des Energiesystems überdimensioniert oder unterdimensioniert ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass mittels diesem ebenfalls eine möglichst optimale Auslegung der Komponente, das heißt eine Auslegung, in der die Komponente nicht wesentlich unterdimensioniert und nicht überdimensioniert ist, ermittelt werden kann. Beispielsweise erfolgt dies mittels eines neuen Energiesystemdesigns. Umfasst eine Komponente des Energiesystems beispielsweise mehrere Aggregate, so kann basierend auf den Wert der Fehldimensionierungsgröße, über einen Zubau eines zusätzlichen Aggregates oder einen Abbau eines der installierten Aggregate nachgedacht werden. Mit anderen Worten kann basierend auf den Wert der Fehldimensionierungsgröße die Komponente bezüglich ihrer Dimensionierung, beispielsweise ihrer Nennleistung und/oder Kapazität, vergrößert beziehungsweise verkleinert werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können somit sinnbildlich die effizientesten Stellschrauben für einen möglichst optimalen Betrieb oder eine möglichst optimale Auslegung des bereits bestehenden Energiesystems festgestellt werden. Dadurch kann die energetische Effizienz des Energiesystems deutlich verbessert werden.
Das erfindungsgemäße Energiemanagementsystem zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems mit wenigstens einer Komponente, umfasst wenigstens

- Mittel zum Modellieren des Energiesystems als Optimierungsproblem, wobei das Optimierungsproblem wenigstens Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente sowie jeweils zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörige Schattenpreise als Optimierungsvariablen aufweist;
- Mittel zum Berechnen der Energieaufnahmen, der Energieabgaben und der jeweils zugehörigen Schattenpreise durch ein numerisches Lösen des Optimierungsproblems;
- Mittel zum Berechnen einer ersten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieaufnahmen;
- Mittel zum Berechnen einer zweiten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieabgaben;
- Mittel zum Berechnen einer Fehldimensionierungsgröße mittels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Summe, sowie mittels der Investitionskosten und Betriebskosten der Komponente; und
- Mittel zum Ermitteln einer Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente in Abhängigkeit der berechneten Fehldimensionierungsgröße.

Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile des erfindungsgemäßen Energiemanagementsystem.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Ermitteln der Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente in Abhängigkeit des Vorzeichens der berechneten Fehldimensionierungsgröße.
Mit anderen Worten kann die Fehldimensionierungsgröße einen negativen oder positiven Wert aufweisen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Fehldimensionierungsgröße derart festgelegt oder bestimmt, dass bei einem positiven Wert eine Unterdimensionierung und bei einem negativen Wert eine Überdimensionierung der Komponente des Energiesystems vorliegt. Selbstverständlich kann die Fehldimensionierungsgröße in eine Vielzahl mathematisch äquivalenter Größen oder Ausdrücke gewandelt werden. Entscheidend ist lediglich, dass basierend auf der Fehldimensionierungsgröße, insbesondere ihres Vorzeichens, eine Überdimensionierung oder eine Unterdimensionierung der Komponente festgestellt und unterschieden werden kann. Hierzu ist das Vorzeichen der Fehldimensionierungsgröße von besonderem Vorteil. Somit ist die Komponente des Energiesystems optimal ausgelegt beziehungsweise dimensioniert, wenn die Fehldimensionierungsgröße den Wert Null aufweist.
Weist die Fehldimensionierungsgröße einen von null verschiedenen Wert auf, das heißt einen positiven oder negativen von null verschiedenen Wert auf, so ist es von Vorteil die Komponente kleiner zu dimensionieren, falls das Vorzeichen der berechneten Fehldimensionierungsgröße positiv ist, oder größer zu dimensionieren, falls das Vorzeichen der berechneten Fehldimensionierungsgröße negativ ist. Ein entsprechendes inverses Verhalten ergibt sich bei einer Multiplikation der Fehldimensionierungsgröße mit einer negativen Zahl, insbesondere mit -1.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Betriebskosten und die Investitionskosten in Abhängigkeit der Nennleistung der Komponente bestimmt.
Die Nennleistung der Komponente kann auch als Kapazität der Komponente bezeichnet werden und entspricht im Wesentlichen der Dimensionierung der Komponente. Mit anderen Worten sind die Betriebskosten und die Investitionskosten der Komponente von ihrer Dimensionierung beziehungsweise Kapazität abhängig.
Beim Berechnen der Fehldimensionierungsgröße wird die Dimensionierung beziehungsweise die Kapazität der physikalisch installierten, das heißt der bestehenden Komponente, berücksichtigt. Mit anderen Worten sind die Betriebskosten und Investitionskosten der Komponente abhängig von ihrer Kapazität beziehungsweise ihrer Nennleistung. Diese Abhängigkeit wird ebenfalls beim Berechnen der Fehldimensionierungsgröße berücksichtigt. Dadurch ist vorteilhafter Weise sichergestellt, dass das Verfahren sich auf das tatsächlich installierte beziehungsweise bestehende Energiesystem bezieht.
Die Betriebskosten und Investitionskosten können vorteilhafter Weise mittels des Energiemanagementsystems gespeichert werden. Mit anderen Worten sind die Betriebskosten und Investitionskosten dem Energiemanagementsystem bekannt.
Es ist von Vorteil die Nennleistung (Kapazität) ebenfalls durch das Lösen des Optimierungsproblems zu berechnen, wobei das Optimierungsproblem unter der Nebenbedingung gelöst wird, dass die berechnete Nennleistung der physikalischen Nennleistung der Komponente entspricht.
Vorteilhafterweise wird dadurch die Nennleistung der Komponente, das heißt ihre Kapazität beziehungsweise Dimensionierung zunächst als Variable beim Optimierungsproblem berücksichtigt. Allerdings wird ihr Wert auf die tatsächlich installierte beziehungsweise bestehende physikalische Nennleistung beziehungsweise Kapazität der Komponente mittels einer Nebenbedingung eingeschränkt. Hierdurch wird die Nennleistung, die zwar eine Variable des Optimierungsproblems ausbildet, auf ihren physikalischen Wert beschränkt. Dadurch kann vorteilhafterweise das Auffinden einer Lösung des Optimierungsproblems mittels numerischer Verfahren verbessert, insbesondere beschleunigt, werden. Insbesondere können dadurch Computerressourcen eingespart werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Fehldimensionierungsgröße mittels K = Cⁱⁿ - C^out + CAPEX + OPEX berechnet, wobei als Cⁱⁿ die erste Summe, als C^out die zweite Summe, als CAPEX die Investitionskosten und als OPEX die Betriebskosten bezeichnet werden.
Die Fehldimensionierungsgröße kann ebenfalls zu K = Cⁱⁿ + CAPEX+OPEX-C^out umformuliert werden. Hierdurch wird deutlich, dass die Investitionskosten CAPEX und die Betriebskosten OPEX zur ersten Summe addiert werden. Sie können daher als Grundenergieaufnahmen angesehen werden. Hieraus wird deutlich, dass sich für K = 0 für die Komponente ein Gleichgewicht ausbildet, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Komponente sich neutral bezüglich der Energieaufnahmen und Energieabgaben gewichtet mit den zugehörigen Schattenpreisen verhält. Ist hingegen die Fehldimensionierungsgröße K ungleich null, so ist die Komponente mit den weiteren Komponenten des Energiesystems nicht im Gleichgewicht, sodass beispielsweise für K > 0 die Komponente auf Kosten der weiteren Komponenten des Energiesystems arbeitet. Es ist daher erstrebenswert für jede Komponente des Energiesystems K = 0 zu erreichen. Dies wird durch die vorliegende Erfindung und/oder einer ihrer Ausgestaltung ermöglicht. Mit anderen Worten ist jede Komponente des Energiesystems vorteilhaft dimensioniert, wenn die zur Komponente zugehörige Fehldimensionierungsgröße den Wert Null aufweist.
Es ist hierbei von Vorteil, wenn Cⁱⁿ mittels $C^{i n} = \sum_{i = 1}^{I} \sum_{n = 1}^{N} (P_{i, n}^{in} \cdot Δ T) \cdot p_{i, n}^{in}$
und C^out mittels $C^{o u t} = \sum_{j = 1}^{j} \sum_{n = 1}^{N} (P_{j, n}^{out} \cdot Δ T) \cdot p_{j, n}^{out}$
berechnet wird, wobei als $P_{i, n}^{in} \cdot Δ T$
die i-te Energieaufnahme im Zeitintervall ΔT zum Zeitpunkt n, als $P_{j, n}^{out} \cdot Δ T$
die j-te Energieabgabe im Zeitintervall ΔT zum Zeitpunkt n, als $p_{i, n}^{in}$
den zur i-te Energieaufnahme zum Zeitpunkt n zugehörige Schattenpreis, und als $p_{i, n}^{in}$
den zur j-te Energieabgabe zum Zeitpunkt n zugehörige Schattenpreis bezeichnet werden.
Hierbei gibt es I Energieaufnahmen und J Energieabgaben sowie N Zeitschritte beziehungsweise Zeitpunkte.
Mit anderen Worten ist die erste Summe im Wesentlichen das Skalarprodukt zwischen dem Vektor gebildet aus den Energieaufnahmen mit dem Vektor gebildet aus den zu den Energieaufnahmen zugehörigen Schattenpreisen. Hierbei wird über alle Zeitpunkte beziehungsweise Zeitbereiche summiert. Somit kann Cⁱⁿ ebenfalls als $C^{in} = \int_{0}^{T} 〈 P^{in} (t), p^{in} (t) 〉 d t = \int_{0}^{T} \sum_{i = 1}^{I} P_{i}^{in} (t) \cdot p_{i}^{in} (t) \cdot d t$
und/oder C^out als $C^{o u t} = \int_{0}^{T} 〈 P^{out} (t), p^{o u t} (t) 〉 d t = \int_{0}^{T} \sum_{i = 1}^{I} P_{i}^{out} (t) \cdot p_{i}^{out} (t) \cdot d t$
geschrieben werden, wobei T den Zeitbereich der Optimierung (Optimierungshorizont) kennzeichnet, beispielsweise ein Jahr, ein Monat oder einen Tag (englisch: Day-Ahead), und wobei $P^{i n} (t) = {(P_{1}^{in} (t), \dots, P_{I}^{in} (t))}^{T}$
den Vektor der Energieaufnahmen, $p^{i n} (t) = {(p_{1}^{in} (t), \dots, p_{I}^{in} (t))}^{T}$
den Vektor der zu den Energieaufnahmen zugehörigen Schattenpreise, $P^{o u t} (t) = {(P_{1}^{out} (t), \dots, P_{I}^{out} (t))}^{T}$
den Vektor der Energieabgaben und $p^{i n} (t) = {(p_{1}^{out} (t), \dots, p_{J}^{out} (t))}^{T}$
den Vektor der zu den Energieabgaben zugehörigen Schattenpreise. Die Energieaufnahmen und Energieabgaben sowie Schattenpreise sind typischerweise zeitabhängig, das heißt eine Funktion von t.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Betrieb des Energiesystems über ein Jahr, über einen Monat und/oder über einen Tag simuliert.
Mit anderen Worten ist der bereits oben genannte Optimierungshorizont ein Jahr, ein Monat, und/oder ein Tag. Besonders bevorzugt ist ein Optimierungshorizont von einem Jahr. Hierbei kann das Jahr weiter in kleinere Zeitbereiche, beispielsweise in Stunden eingeteilt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Energiemanagementsystem Mittel zum Erfassen von bezüglich der berechneten Energieaufnahmen und berechneten Energieabgaben zeitlich vergangenen beziehungsweise historischen Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente des Energiesystems.
Mit anderen Worten werden vorteilhafter Weise historische, das heißt vergangene Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponenten bei der Optimierungen, beispielsweise zur Initialisierung der Parameter des Optimierungsproblems berücksichtigt. Dadurch wird vorteilhafterweise der Betrieb beziehungsweise das Erkennen der Fehldimensionierung der wenigstens einen Komponente des Energiesystems verbessert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:

1 ein Schaltbild eines Energiesystems; und
2 ein Sankey-Diagramm des Energiesystems.

Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in einer der Figuren oder in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
Die 1 zeigt ein Schaltbild des Energiesystems 1. Hieraus sind die Komponenten 11,...,19 des Energiesystems 1, die Energiebedarfe 31, 32, 33 (Lasten) und Energieformen 21,...,26 sowie deren Abhängigkeiten erkennbar.
Das Energiesystem 1 umfasst exemplarisch als Komponenten 11,...,19 ein Erdgasnetz 11, eine Photovoltaikanlage 12, ein Stromnetz 13 zur Einspeisung in das Energiesystem 1, ein Blockheizkraftwerk 14, einen Gasboiler 15, eine Kompressionskältemaschine 16, ein Stromnetz 17 zur Ausspeisung aus dem Energiesystem 1, eine Absorptionskältemaschine 18 sowie einen Kältespeicher 19. Weitere Komponenten können vorgesehen sein.
Die Komponenten 11,...,19 des Energiesystems 1 sind bezüglich ihrer Energieaufnahmen und ihrer Energieabgaben gekoppelt.
Vorliegend wird mittels des Erdgasnetzes 11 Erdgas 21 für das Blockheizkraftwerk 14 und den Gasboiler 15 bereitgestellt. Mit anderen Worten werden das Blockheizkraftwerk 14 und der Gasspoiler 15 mittels des Erdgases 21 betrieben. Das Blockheizkraftwerk 14 sowie der Gasboiler 15 wandeln das Erdgas 21 in elektrische Energie, das heißt Strom 22, und Wärme 23. Mit anderen Worten stellt das Blockheizkraftwerk 14 Strom 22 und Wärme 23 bereit. Der Gasboiler 15 stellt Wärme 23 bereit.
Die Photovoltaikanlage 12 und das Stromnetz 13 stellen ebenfalls elektrische Energie, das heißt Strom 22, bereit. Der Strom 22 sowie die Wärme 23 werden innerhalb des Energiesystems durch weitere Komponenten verwendet. Beispielsweise wird der elektrische Strom 22 zur Deckung der elektrischen Last 31, zum Betrieb der Kompressionskältemaschine 16 und/oder zur Ausspeisung in das Stromnetz 17 verwendet. Die durch das Blockheizkraftwerk 14 und den Gasboiler 15 bereitgestellte Wärme 23 kann zur Deckung der Wärmelast 32 und/oder zum Betrieb der Absorptionskältemaschine 18 verwendet werden.
Weiterhin ergibt sich ein Wärmeverlust, das heißt die Abwärme 25. Mittels der Kompressionskältemaschine 16 und der Absorptionskältemaschine 18 wird die Kälte 24 bereitgestellt. Die Kälte 24 kann zur Deckung des Kältebedarfs 33 beziehungsweise Kältelast 33 herangezogen werden. Alternativ oder ergänzend kann die Kälte 24 mittels des Kältespeichers 19 gespeichert beziehungsweise zwischengespeichert werden. Ebenfalls ergibt sich ein Kälteverlust, das heißt die Abkälte 26.
Die 1 verdeutlicht somit die komplexen Abhängigkeiten der Komponenten 11,...,19 des Energiesystems 1 bezüglich der Energieflüsse, das heißt bezüglich ihrer Energieaufnahmen und Energieabgaben.
Beispielsweise weist die Absorptionskältemaschine 18 als Energieaufnahme die vom Blockheizkraftwerk 14 sowie dem Gasboiler 15 bereitgestellte Wärme 23 auf. Als Energieabgabe weist die Absorptionskältemaschine 18 die Kälte 24 auf. Die Kälte 24 kann wiederum mittels des Kältespeichers 19 gespeichert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es beispielsweise die Dimensionierung der Absorptionskältemaschine 18, beispielsweise ihre Nennleistung beziehungsweise Kapazität, bezüglich ihrer Energieaufnahmen, vorliegend die Wärme 23, und ihrer Energieabgaben, vorliegend die Kälte 24, zu optimieren. Dies erfolgt mittels der Fehldimensionierungsgröße der Absorptionskältemaschine 18, mittels welcher eine Überdimensionierung oder eine Unterdimensionierung der Absorptionskältemaschine 18 erkannt werden kann. An der Fehldimensionierungsgröße der Absorptionskältemaschine 18 ist somit erkennbar, ob eine Vergrößerung (Unterdimensionierung der Absorptionskältemaschine 18) oder eine Verkleinerung (Überdimensionierung der Absorptionskältemaschine 18) vorteilhaft ist. Dies kann ebenfalls für weitere Komponenten 11,...,19 des Energiesystems, insbesondere für alle Komponenten 11,...,19 des Energiesystems, durchgeführt werden.
Die 2 zeigt ein Sankey-Diagramm des Energiesystems 1 nachdem der Betrieb des Energiesystem 1 mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner Ausgestaltungen optimiert worden ist. Hierbei wurde eine Jahresplanung durchgeführt, das heißt der Betrieb des Energiesystems 1 wurde für den Optimierungszeitraum von einem Jahr gemäß der vorliegenden Erfindung berechnet und optimiert. Mit anderen Worten ist der Optimierungshorizont ein Jahr.
Weiterhin zeigt 2 dieselben Elemente wie bereits 1.
Die Komponenten 11,...,19 des Energiesystem 1 sind in der dargestellten Lösung im Gleichgewicht, das heißt diese weisen einen Wert der Fehldimensionierung von Null auf.
Die im Folgenden angegebenen Energieaufnahmen beziehungsweise Energieabgabe der Komponenten 11,...,19 des Energiesystems 1 sind rein exemplarisch und die Erfindung ist nicht auf genannten Werte eingeschränkt. Die Werte sollen lediglich die Energieströme, das heißt die Energieaufnahmen und Energieabgaben, innerhalb des Energiesystems 1 exemplarisch verdeutlichen. Die Energieaufnahmen und Energieabgaben sind in der 2 durch die Dicke der Verbindungsschläuche zwischen den Elementen der 2 symbolisiert, beispielsweise in der Einheit Megawattstunden pro Jahr (MWh/a). Weiterhin weist jede Komponente 11,...,19 eine maximale Nennleistung, beispielsweise in der Einheit Kilowatt (kW) auf.
In der 2 stellt das Erdgasnetz 11 etwa 2656 MWh/a an Energie bereit. Mittels des Blockheizkraftwerkes 14 wird das Erdgas 21, wie bereits unter 1 erläutert, in Wärme (etwa 1248 MWh/a) und in elektrische Energie 22 (etwa 770 MWh/a) gewandelt. Die Photovoltaikanlage 12 stellt etwa 44 MWh/a und das Stromnetz 13 etwa 303 MWh/a an elektrischer Energie 22 (Strom 22) bereit. Der Strom 22 und die Wärme 23 werden beispielsweise zur Deckung der elektrischen Last 31 und/oder zum Betrieb der Kompressionskältemaschine 16 verwendet und/oder in das Stromnetz 13 eingespeist.
Die Wärme 23 wird beispielsweise für die Wärmelast 32 und/oder zum Betrieb der Absorptionskältemaschine 18 verwendet. Hierbei ergibt sich auch die Abwärme 25. Die Kompressionskältemaschine 16 sowie die Absorptionskältemaschine 18 stellen die Kälte 24 bereit. Hierbei werden etwa 911 MWh/a an Kälte 24 bereitgestellt. Die Kälte 24 kann zur Deckung der Kältelast 33 verwendet werden und/oder mittels des Kältespeicher 19 gespeichert beziehungsweise zwischengespeichert werden. Weiterhin ergibt sich die Abkälte 26.
Weitere Darstellungen des Energiesystems 1, beispielsweise in Form eines Kapitalfluss-Sankey-Diagramms (englisch: Cashflow-Sankey-Diagram), können vorgesehen sein. Insbesondere ist am Kapitalfluss-Sankey-Diagramms ebenfalls ein Verlust und/oder ein Erlös der jeweiligen Komponente, der zu positiven oder negativen Werten der Fehldimensionierungsgröße korrespondieren kann, zu erkennen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht daher die Formulierung eines möglichst optimalen Betriebes eines Energiemanagementsystems als Energiesystemdesignproblem, wobei ineffiziente Komponenten des Energiesystems mittels der Fehldimensionierungsgröße, insbesondere an einem von Null verschiedenen Wert der Fehldimensionierungsgröße, festgestellt werden können. Mit anderen Worten kann eine Fehldimensionierung einer Komponente des Energiesystems quantifiziert werden. Dadurch kann das bereits bestehende beziehungsweise installierte Energiesystem gemäß der vorliegenden Erfindung neu ausgelegt und/oder effizienter betrieben werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und/oder einer seiner Ausgestaltungen kann, beispielsweise mittels einer Jahresplanung und/oder mehreren Tagesplanungen (englisch: Day-Ahead), eine Fehldimensionierung des Energiesystem beziehungsweise einer oder mehrere seiner Komponenten festgestellt, überprüft, vermieden und/oder toleriert werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Energiesystem
11: Erdgasnetz
12: Photovoltaik
13: Stromnetz (Einspeisung)
14: Blockheizkraftwerk
15: Gasboiler
16: Kompressionskältemaschine
17: Stromnetz (Auspeisung)
18: Absorptionskältemaschine
19: Kältespeicher
21: Erdgas
22: Strom
23: Wärme
24: Kälte
25: Abwärme
26: Abkälte
31: Strombedarf
32: Wärmebedarf
33: Kältebedarf

Claims

Computergestütztes Verfahren zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems (1) mit wenigstens einer Komponente (11,...,19), umfassend wenigstens die Schritte: - Modellieren des Energiesystems (1) als Optimierungsproblem, wobei das Optimierungsproblem wenigstens Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente (11,...,19) sowie jeweils zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörige Schattenpreise als Optimierungsvariablen aufweist; - Berechnen der Energieaufnahmen, der Energieabgaben und der jeweils zugehörigen Schattenpreise durch ein numerisches Lösen des Optimierungsproblems; - Berechnen einer ersten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieaufnahmen; - Berechnen einer zweiten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieabgaben; - Berechnen einer Fehldimensionierungsgröße der Komponente (11,...,19) mittels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Summe, sowie mittels der Investitionskosten und Betriebskosten der Komponente (11,...,19); und - Ermitteln einer Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente (11,...,19) in Abhängigkeit der berechneten Fehldimensionierungsgröße.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das Ermitteln der Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente (11,...,19) in Abhängigkeit des Vorzeichens der berechneten Fehldimensionierungsgröße erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Komponente (11,...,19) kleiner dimensioniert wird, falls das Vorzeichen der berechneten Fehldimensionierungsgröße positiv ist, oder bei dem die Komponente (11,...,19) größer dimensioniert wird, falls das Vorzeichen der berechneten Fehldimensionierungsgröße negativ ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Betriebskosten und die Investitionskosten in Abhängigkeit der Nennleistung der Komponente (11,...,19) bestimmt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 4, bei dem die Nennleistung ebenfalls durch das Lösen des Optimierungsproblems berechnet wird, wobei das Optimierungsproblem unter der Nebenbedingung gelöst wird, dass die berechnete Nennleistung der physikalischen Nennleistung der Komponente (11,...,19) entspricht.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fehldimensionierungsgröße mittels K = Cⁱⁿ -C^out + CAPEX+OPEX berechnet wird, wobei als Cⁱⁿ die erste Summe, als C^out die zweite Summe, als CAPEX die Investitionskosten und als OPEX die Betriebskosten bezeichnet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 6, bei dem Cⁱⁿ mittels $C^{i n} = \sum_{i = 1}^{I} \sum_{n = 1}^{N} (P_{i, n}^{in} \cdot Δ T) \cdot p_{i, n}^{in}$
und C^out mittels $C^{o u t} = \sum_{j = 1}^{J} \sum_{n = 1}^{N} (P_{j, n}^{o u t} \cdot Δ T) \cdot p_{j, n}^{out}$
berechnet wird, wobei als $P_{i, n}^{in} \cdot Δ T$
die i-te Energieaufnahme im Zeitintervall ΔT zum Zeitpunkt n, als $P_{j, n}^{out} \cdot Δ T$
die j-te Energieabgabe im Zeitintervall ΔT zum Zeitpunkt n, als $p_{i, n}^{in}$
den zur i-te Energieaufnahme zum Zeitpunkt n zugehörige Schattenpreis, und als $p_{i, n}^{in}$
den zur j-te Energieabgabe zum Zeitpunkt n zugehörige Schattenpreis bezeichnet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Betrieb des Energiesystems (1) über ein Jahr, über einen Monat und/oder über einen Tag simuliert wird.
Energiemanagementsystem zur Simulation eines Betriebes eines Energiesystems (1) mit wenigstens einer Komponente (11,...,19), umfassend - Mittel zum Modellieren des Energiesystems als Optimierungsproblem, wobei das Optimierungsproblem wenigstens Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente (11,...,19) sowie jeweils zu den Energieaufnahmen und Energieabgaben zugehörige Schattenpreise als Optimierungsvariablen aufweist; - Mittel zum Berechnen der Energieaufnahmen, der Energieabgaben und der jeweils zugehörigen Schattenpreise durch ein numerisches Lösen des Optimierungsproblems; - Mittel zum Berechnen einer ersten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieaufnahmen; - Mittel zum Berechnen einer zweiten Summe mittels einer mit den zugehörigen Schattenpreisen gewichteten Summe der Energieabgaben; - Mittel zum Berechnen einer Fehldimensionierungsgröße mittels einer Subtraktion der zweiten Summe von der ersten Summe, sowie mittels der Investitionskosten und Betriebskosten der Komponente (11,...,19); und - Mittel zum Ermitteln einer Überdimensionierung oder Unterdimensionierung der Komponente (11,...,19) in Abhängigkeit der berechneten Fehldimensionierungsgröße.
Energiemanagementsystem gemäß Anspruch 9, mit Mitteln zum Erfassen von bezüglich der berechneten Energieaufnahmen und berechneten Energieabgaben zeitlich vergangenen Energieaufnahmen und Energieabgaben der Komponente (11,...,19) des Energiesystems (1).
Energiemanagementsystem gemäß Anspruch 9 oder 10, mit Mitteln zum Speichern der Investitionskosten und Betriebskosten der Komponente (11,...,19).