DE102020205300A1

DE102020205300A1 - Verfahren zur Steuerung von Wärmeaustauschen sowie zugehörige Steuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102020205300A1
Application number: DE102020205300.6A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Danov; Stefan Niessen; Sebastian Schreck; Jochen Schäfer; Sebastian Thiem
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2020-04-27
Filing date: 2020-04-27
Publication date: 2021-10-28
Also published as: WO2021219265A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Steuerung von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen (2, 4) mittels einer bezüglich der Energiesysteme (2, 4) zentralen Steuerungsvorrichtung (42) vorgeschlagen, wobei die Energiesysteme (2, 4) an einem für die Wärmeaustausche vorgesehenen Wärmenetz (10) angebunden sind, und mittels der Steuerungsvorrichtung (42) wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches die Wärmeaustausche basierend auf einer mathematischen Optimierung gesteuert und hierzu vorgesehene Steuerungsgrößen, insbesondere energiesystemspezifische Energiemengen und/oder Temperaturbereiche, basierend auf technischen Größen der Energiesysteme und/oder technischen Netzrandbedingungen des Wärmenetzes (10) ermittelt werden. Das Verfahren ist gekennzeichnet dadurch, dass bei der Optimierung mittels der Steuerungsvorrichtung (42) die Steuerungsgrößen unter Berücksichtigung einer thermischen Speicherkapazität des Wärmenetzes (10) ermittelt werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Steuerungsvorrichtung (42) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie eine Steuerungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 14.
Energiesysteme, wie beispielsweise Gemeinden, Stadtviertel, Haushalte, Gebäude, Betriebe, Industriestandorte, Fabriken, Campus und/oder dergleichen können mit Nahwärme oder Fernwärme versorgt werden. Typischerweise erfolgt hierbei die Fern- oder Nahwärmelieferung über ein Wärmenetz eines Fern- beziehungsweise Nahwärmeversogers. Beispielsweise ist ein regionales Stadtwerk ein solcher Fern- oder Nahwärmeversorger. Die Wärme kann über eine zentrale Wärmeerzeugungsanlage des Wärmeversorgers, beispielsweise mittels Gaskessel und/oder Blockheizkraftwerke, erzeugt beziehungsweise bereitgestellt werden.
Nachteilig an bekannten Wärmenetzen ist, dass technische Synergien zwischen den Teilnehmern, das heißt zwischen den einzelnen Energiesystemen, nicht genutzt werden.
Bezüglich des Austausches elektrischer Energie sind lokale Energiemärkte beziehungsweise Strommärkte bekannt, die einen synergetischen, effizienten und dynamischen Austausch von elektrischer Energie ermöglichen. Ein solcher lokaler Energiemarkt ist beispielsweise aus dem Dokument EP 3518369 A1 bekannt.
Im Hinblick auf lokale Wärmemärkte, die Synergien zwischen den Teilnehmern nutzen könnten, stellen sich zusätzliche und anderweitige technische Herausforderungen, sodass technische Konzepte von elektrischen Energiemärkten nicht ohne Weiteres auf Wärmenetze übertragbar sind. Insbesondere weisen Wärmenetze höhere Verluste auf. Weiterhin werden thermische Komponenten der am Wärmeaustausch teilnehmenden Energiesysteme (Teilnehmer) bisher unzureichend berücksichtigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen technisch effizienteren lokalen Wärmemarkt bereitzustellen, sodass insbesondere Synergien zwischen den Energiesystemen verbessert genutzt werden können.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine Steuerungsvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 14 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen mittels einer bezüglich der Energiesysteme zentralen Steuerungsvorrichtung, wobei die Energiesysteme an einem für die Wärmeaustausche vorgesehenen Wärmenetz angebunden sind, und mittels der Steuerungsvorrichtung wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches die Wärmeaustausche basierend auf einer mathematischen Optimierung gesteuert und hierzu vorgesehene Steuerungsgrößen, insbesondere energiesystemspezifische Energiemengen und/oder Temperaturbereiche, basierend auf technischen Größen der Energiesysteme und/oder technischen Netzrandbedingungen des Wärmenetzes ermittelt werden, ist gekennzeichnet dadurch, dass bei der Optimierung mittels der Steuerungsvorrichtung die Steuerungsgrößen unter Berücksichtigung einer thermischen Speicherkapazität des Wärmenetzes ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder eine oder mehrere Funktionen, Merkmale und/oder Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens können computergestützt sein.
Ein erfindungsgemäßer lokaler Wärmemarkt umfasst die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung. Bevorzugt bildet die Steuerungsvorrichtung einen lokalen Wärmemarkt aus. Mit anderen Worten wird der lokale Wärmemarkt technisch durch die Steuerungsvorrichtung ermöglicht. Die Steuerungsvorrichtung kann somit ebenfalls als Steuerungsplattform bezeichnet werden und bildet die technische Grundlage des zugehörigen lokalen Wärmmarktes aus. Die Steuerungsvorrichtung kann unabhängig von einem Wärmenetzbetreiber des Wärmenetzes sein.
Vorliegend umfasst der Begriff des Steuerns ein Regeln, sodass die Steuerungsvorrichtung ebenfalls als Regelvorrichtung zur Regelung des Wärmenetzes ausgebildet ist.
Das Wärmenetz kann als Nahwärmenetz, Fernwärmenetz, Nahkältenetz, Fernkältenetz und/oder Anergienetz ausgebildet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt das Ermitteln der der Steuerung zugrundeliegenden Steuerungsgrößen oder Regelgrößen mittels der mathematischen Optimierung, die durch die Steuerungsvorrichtung bezüglich der Energiesysteme zentralisiert durchgeführt wird. In diesem Sinne liegt eine modellprädikative Regelung des Wärmenetzes durch die Steuerungsvorrichtung vor.
Eine Optimierung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Minimierung oder Maximierung einer Zielfunktion. Hierbei modelliert die Zielfunktion typischerweise die Gesamtheit der technisch komplexen Energiesysteme. Die Minimierung beziehungsweise Maximierung der Zielfunktion ist somit typischerweise äußerst komplex und kann daher lediglich numerisch erfolgen. Die Zielfunktion modelliert beziehungsweise charakterisiert hierbei eine Eigenschaft oder eine technische Größe des oder der Energiesysteme, beispielsweise die Kohlenstoffdioxidemissionen, den Wärmemengenumsatz und/oder die Betriebskosten. Die Zielfunktion weist Parameter und Variablen auf. Das Ergebnis der Optimierung sind die Werte der Variablen, vorliegend die Steuerungsgrößen, insbesondere die bezüglich des jeweiligen Wärmeaustausches vorgesehenen energiesystemspezifischen Wärmemengen und/oder Temperaturbereiche. Die Steuerungsgrößen sind technische Größen des jeweiligen Energiesystems, beispielsweise Energiemengen/Wärmemengen und/oder Temperaturbereiche. Diese sind für die Steuerung der Energiesysteme beziehungsweise der Wärmeaustausche vorgesehen und legen insbesondere die innerhalb des Zeitbereiches zu verbrauchende Wärmemenge und/oder zu erzeugende Wärmemenge fest. Hierbei haben die Steuerungsgrößen mittelbaren oder unmittelbaren Einfluss auf den Betrieb des Energiesystems. Eine direkte Steuerung der Energiesysteme ist hierbei typischerweise nicht erforderlich, sodass die Umsetzung bezüglich ermittelten Steuerungsgrößen, beispielsweise ein Anfahren, Abfahren, Betriebsänderungen und/oder Zuschalten von Anlagen, den jeweiligen Energiesystemen überlassen werden kann.
Weiterhin erfolgt die Optimierung typischerweise unter einer Berücksichtigung mehrerer Nebenbedingungen, die insbesondere physikalische und technische Randbedingungen der einzelnen Energiesysteme und/oder des Wärmenetzes modellieren. Dadurch wird sichergestellt, dass die Lösung der Optimierung technisch sowie physikalisch umsetzbar ist.
Erfindungsgemäß werden technische Randbedingungen und/oder Netzrandbedingungen des Wärmenetzes durch die zentral durchgeführte Optimierung berücksichtigt. Beispielsweise darf eine maximale Temperatur des Wärmenetzes nicht überschritten werden.
Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Optimierung mittels der Steuerungsvorrichtung die Steuerungsgrößen unter Berücksichtigung einer thermischen Speicherkapazität des Wärmenetzes ermittelt werden.
Dadurch wird die thermische Trägheit des Wärmenetzes bei der Optimierung berücksichtigt. Mit anderen Worten wird im Rahmen der Optimierung das Wärmenetz erfindungsgemäß als Wärmespeicher angesehen, der eine thermische Speicherkapazität aufweist. Ein technisches Kennzeichen eines Wärmespeichers ist, dass dieser innerhalb der Zielfunktion lediglich systemdienlich verwendet beziehungsweise modelliert wird. Dadurch trägt dieser nicht zur Maximierung oder Minimierung des Zielfunktionswertes, beispielsweise zur Maximierung des Wärmeumsatzes oder zur Minimierung der Emissionen, insbesondere der Kohlenstoffdioxidemissionen, bei. Die thermische Speicherkapazität des Wärmenetzes wird somit bei der Optimierung, insbesondere innerhalb eines Netzmodells (mathematisches Modell des Wärmenetzes innerhalb der Zielfunktion und/oder in Form von Nebenbedingungen), verwendet. Dadurch können Synergien zwischen den Energiesystemen, insbesondere im Hinblick auf Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch, verbessert genutzt werden. Das ist insbesondere deshalb der Fall, da aufgrund der erfindungsgemäßen Berücksichtigung der thermischen Trägheit des Wärmenetzes, der lokale Wärmeverbrauch und die lokale Wärmebereitstellung verbessert in Übereinstimmung gebracht werden können. Hierbei wirkt das Wärmenetz im Rahmen der Optimierung wie ein Pufferspeicher, der eine wenigstens teilweise Entkopplung zwischen Wärmeverbrauch und Wärmebereitstellung ermöglicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit das Wärmenetz als Wärmespeicher modelliert und entsprechend bei der Optimierung, das heißt beim Matching-Algorithmus des lokalen Wärmemarktes, berücksichtigt. Grundsätzlich ist hierbei ein Day-Ahead-Verfahren oder ein Intraday-Verfahren möglich, das heißt der Zeitbereich ist der nächste Tag beziehungsweise ein Zeitbereich des nächsten oder aktuellen Tages. Aufgrund der thermischen Trägheit des Wärmenetzes ist weiterhin ein nahezu Echtzeitverfahren denkbar (englisch: Near-Real-Time), sodass der Zeitbereich eine Stunde oder 15 Minuten ist.
Die Steuerungsgrößen können nach ihrer Ermittlung durch die Steuerungsvorrichtung an die Energiesysteme und/oder wenigstens teilweise zentralisiert an den Wärmenetzbetreiber übermittelt werden. Da die Steuerungsgrößen das Ergebnis der Optimierung durch die Steuerungsvorrichtung sind und somit technisch festlegen, welches Energiesystem wieviel Wärme bezieht oder bereitstellt, können diese im Rahmen eines lokalen Wärmemarktes ebenfalls als Handelsergebnis bezeichnet werden.
Die zum Ermitteln der Steuerungsgrößen vorgesehenen technischen Größen können durch die Energiesysteme und/oder den Wärmenetzbetreiber an die Steuerungsplattform übermittelt werden. Die Netzrandbedingungen des Wärmenetzes werden bevorzugt durch den Wärmenetzbetreiber an die Steuerungsvorrichtung übermittelt. Der Wärmenetzbetreiber übermittelt bevorzugt weitere Daten/Informationen an die Steuerungsplattform, insbesondere eine Zuordnung der Energiesysteme bezüglich des Wärmenetzes (Teilnehmer-Lokalisierung), Aufteilung des Wärmenetzes in Teilwärmenetze mit verschiedenen Temperaturen, zu Teilwärmenetzen zusammengefasste Energiesysteme (Teilnehmergruppen) und/oder Druckniveaus und/oder einen aktuellen oder prognostizierten Zustand des Wärmenetzes.
Weiterhin wird die thermische Speicherkapazität des Wärmenetzes besonders bevorzugt durch den Wärmenetzbetreiber an die Steuerungsvorrichtung übermittelt.
Alternativ oder ergänzend können die technischen Größen und/oder die thermische Speicherkapazität des Wärmenetzes durch die Steuerungsvorrichtung berechnet oder abgeschätzt werden, beispielsweise aus den Netzrandbedingungen des Wärmenetzes abzüglich der nicht am lokalen Wärmemarkt teilnehmenden Energiesysteme, insbesondere mittels einer Prognose bezüglich des Wärmeverbrauches (Wärmebezug) beziehungsweise Wärmebereitstellung der nicht teilnehmenden Energiesysteme und einer anschließenden Lastflussberechnung.
Die obenstehend genannten Daten/Informationen können bei der Optimierung, insbesondere innerhalb der Zielfunktion und/oder als Nebenbedingung der Optimierung, durch die Steuerungsvorrichtung berücksichtigt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind somit die Energiesysteme, das heißt die Teilnehmer des Wärmenetzes, nicht mehr an statische Verträge mit dem Wärmenetzbetreiber gebunden, sondern der Betrieb des Wärmenetzes, insbesondere der Wärmeverbrauch und/oder die Wärmebereitstellung über das Wärmenetz, werden durch die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung dynamisiert. Weiterhin sind die Randbedingungen gemäß welcher die Wärmeaustausche ermittelt werden für alle Teilnehmer transparent und nachvollziehbar. Ferner können dezentrale Wärmespeicher und/oder Energiespeicher der Energiesysteme berücksichtigt werden. Letztendlich wird weiterhin der gesamte Betrieb des Wärmenetzes und der Energiesysteme optimiert und bezüglich seiner energetischen Effizienz, seiner Gesamtemissionen und/oder seiner Betriebskosten verbessert.
Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung zur Steuerung von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen, die an einem für die Wärmeaustausche vorgesehenes Wärmenetz angebunden sind, ist dazu ausgebildet, wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches die Wärmeaustausche basierend auf einer mathematischen Optimierung zu steuern und hierzu vorgesehene Steuerungsgrößen, insbesondere energiesystemspezifische Energiemengen und/oder Temperaturbereiche, basierend auf technischen Größen der Energiesysteme und/oder des Wärmenetzes zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese dazu ausgebildet ist, bei der Optimierung die Steuerungsgrößen unter Berücksichtigung einer thermischen Speicherkapazität des Wärmenetzes zu ermitteln.
Es ergeben sich zum erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile und Ausgestaltungen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Wärmenetz wenigstens ein Teilwärmenetz i auf, wobei als thermische Speicherkapazität des Wärmenetzes die thermische Speicherkapazität des Teilwärmenetzes i verwendet wird.
Dadurch können vorteilhafterweise lokale Eigenschaften des Wärmenetzes berücksichtigt werden. Insbesondere wird für jedes Teilwärmenetz des Wärmenetzes eine jeweilige thermische Speicherkapazität bereitgestellt und bei der Optimierung berücksichtigt. Mit anderen Worten wird beziehungsweise ist das Wärmenetz in mehrere Teilwärmenetze unterteilt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die thermische Speicherkapazität durch eine Wärmenetzsteuerungseinheit des Wärmenetzes an die Steuerungsvorrichtung übermittelt.
Mit anderen Worten ist es besonders bevorzugt, wenn die Steuerungsvorrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, die thermische Speicherkapazität des Wärmenetzes von der Wärmenetzsteuerungseinheit des Wärmenetzes in Form von Daten zu empfangen.
Die Wärmenetzsteuerungseinheit ist zur Steuerung des Wärmenetzes ausgebildet, beispielsweise zur Steuerung der Vorlauftemperatur und/oder Rücklauftemperatur des Wärmenetzes und/oder des Massendurchflusses des Wärmenetzes. Typischerweise wird die Wärmenetzsteuerungseinheit durch den Wärmenetzbetreiber betrieben beziehungsweise ist durch diesen umfasst. Vorteilhafterweise wird somit die thermische Speicherkapazität durch den Wärmenetzbetreiber an die Steuerungsvorrichtung übermittelt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Netzrandbedingungen des Wärmenetzes und/oder weitere physikalische Randbedingungen des Wärmenetzes durch die Wärmenetzsteuerungseinheit an die Steuerungsvorrichtung übermittelt.
Alternativ oder ergänzend werden die Netzrandbedingungen durch die Steuerungsvorrichtung basierend auf vorhandenen und/oder historischen Daten des Wärmenetzes bestimmt.
Der Wärmenetzbetreiber, der die Wärmenetzsteuerungseinheit betreibt beziehungsweise umfasst, weist vorteilhafterweise bereits die Informationen und/oder technischen Anlagen, beispielsweise Messvorrichtungen, zur Bereitstellung, Bestimmung und/oder Übermittlung der Netzrandbedingungen und/oder der weiteren physikalischen Randbedingungen, auf. Mit anderen Worten sind dem Wärmenetzbetreiber die technischen Randbedingungen seines Wärmenetzes typischerweise bekannt, sodass dieser diese über die Wärmenetzsteuerungseinheit an die Steuerungsvorrichtung ohne weiteren technischen Aufwand übermitteln kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die Netzrandbedingungen eine Unterteilung des Wärmenetzes in seine Teilwärmenetze, eine Zuordnung der Energiesysteme zu den Teilwärmenetzen (Teilnehmer-Lokalisierung), Knoten- und/oder Verknüpfungspunkte der Teilwärmenetze, einen Verlustkoeffizient und/oder eine maximale Leistungskapazität des Wärmenetzes.
Dadurch wird vorteilhafterweise der Betrieb des Wärmenetzes verbessert, sodass die Steuerungsgrößen verbessert ermittelt werden können. Die Verlustkoeffizienten können auf Ebene der Leitungen des Wärmenetzes und/oder auf Ebene des Teilwärmenetzes und/oder auf Ebene des gesamten Wärmenetzes bereitgestellt und/oder ermittelt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Netzrandbedingungen des Wärmenetzes bei der Optimierung innerhalb einer oder mehreren Nebenbedingungen verwendet.
Mit anderen Worten bilden die technischen Netzrandbedingungen eine oder mehrere Nebenbedingungen bei der Optimierung aus. Die Netzrandbedingungen gehen somit als Nebenbedingungen bei der Optimierung beziehungsweise beim Optimierungsproblem ein. Dadurch wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass ein technisch und/oder physikalisch realisierbares Ergebnis bei der Optimierung in Form der Steuerungsgrößen ermittelt wird. Als physikalische Randbedingungen, die ebenfalls grundsätzliche technische Randbedingungen ausbilden, können ein Temperaturniveau, eine Leistung, eine Fluidgeschwindigkeit beziehungsweise Verweilzeit, die Geschwindigkeit einer Temperaturfront, eine Temperaturdurchmischung und/oder thermische Verluste des Wärmenetzes verwendet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die energiesystemspezifischen technischen Größen weiterhin eine jeweilige innerhalb des Zeitbereiches maximale verbrauchbare, speicherbare und/oder bereitstellbare Wärmemenge, eine jeweilige maximale Wärmeleistung und/oder eine jeweilige Vorlauftemperatur und/oder eine jeweilige Rücklauftemperatur.
Mit anderen Worten wird ein Angebot für einen Wärmeaustausch, das heißt für einen Wärmeverbrauch (Wärmeausspeisung) und/oder eine Wärmebereitstellung (Wärmeinspeisung), insbesondere eine Wärmeerzeugung, an die Steuerungsvorrichtung übermittelt. Für ein solches Angebot ist wenigstens die innerhalb des Zeitbereiches maximal verbrauchbare, speicherbare und/oder bereitstellbare Wärmemenge beziehungsweise zugehörige Leistungen entscheidend. Dadurch wird sichergestellt, dass technische energiesysteminterne Randbedingungen durch die Optimierung berücksichtigt werden. Weiterhin kann für einen maximalen Wärmeverbrauch ein zugehöriges maximales Entgelt und für eine maximale Wärmebereitstellung ein minimales zugehöriges Entgelt an die Steuerungsvorrichtung übermittelt und durch diese bei der Optimierung berücksichtigt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden eine oder mehrere der energiesystemspezifischen technischen Größen mit einem zugehörigen Toleranzbereich von dem jeweiligen Energiesystem an die Steuerungsvorrichtung übermittelt.
Mit anderen Worten werden die Toleranzbereiche der technischen Größen bei der Optimierung durch die Steuerungsvorrichtung berücksichtigt. Die Toleranzbereiche können somit als Bestandteil der Angebote angesehen werden. Dadurch wird vorteilhafterweise ein stabilerer Betrieb des Wärmenetzes ermöglicht. Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Toleranzbereiche nach der Optimierung an die Wärmenetzsteuerungseinheit und somit an den Wärmenetzbetreiber übermittelt werden, sodass das Wärmenetz durch die Wärmenetzsteuerungseinheit im Rahmen der Toleranzbereiche möglichst optimal betrieben werden kann. Die Toleranzbereiche können durch die Steuerungsvorrichtung und/oder durch die Energiesysteme an die Wärmenetzsteuerungseinheit übermittelt werden.
Die Toleranzbereiche werden bevorzugt als Nebenbedingungen bei der Optimierung berücksichtigt.
Hierbei kennzeichnen die Toleranzbereiche einen zulässigen Wertebereich für die technischen Größen, beispielsweise einer Temperatur und/oder einer Wärmeleistung. Dadurch ist sichergestellt, dass die Optimierung diese Toleranzbereiche beim Ermitteln der Lösung, das heißt beim Ermitteln der Steuerungsgrößen, berücksichtigt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Teilwärmenetz i eine minimale thermische Speicherkapazität SOC_i,min und eine maximale thermische Speicherkapazität SOC_i,max auf, wobei bei der Optimierung die Nebenbedingung SOC_i,min SOC_i ≤ SOC_i,max verwendet wird.
Dadurch wird eine vorteilhafte Berücksichtigung der thermischen Speicherkapazität des Wärmenetzes bei der Optimierung bereitgestellt. Die minimale und maximale thermische Speicherkapazität kann durch die Wärmenetzsteuerungseinheit, das heißt durch den Wärmenetzbetreiber, an die Steuerungsvorrichtung übermittelt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung modelliert eine der Nebenbedingungen der Optimierung eine zeitliche Entwicklung der thermischen Speicherkapazität innerhalb des Zeitbereiches, wobei hierzu Entladungen P_i,charge und Beladungen P_i,discharge des Teilwärmenetzes i innerhalb des Zeitbereiches berücksichtigt werden.
Mit anderen Worten wird das Wärmenetz als Wärmespeicher modelliert und entsprechend bei der Optimierung berücksichtigt.
Dadurch wird die thermische Trägheit des Wärmenetzes bei der Optimierung und somit beim Ermitteln der Steuerungsgrößen und somit beim Betrieb des Wärmenetzes vorteilhaft berücksichtigt.
Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn der Zeitbereich für die Optimierung in mehrere Zeitschritte n unterteilt wird, und für die thermische Speicherkapazität die Nebenbedingung SOC_i,n+1 = SOC_i,n + P_i,charge - P_i,discharge verwendet wird.
Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Berücksichtigung der thermischen Trägheit des Wärmenetzes in Form einer Modellierung als Wärmespeicher ermöglicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung eines Wärmenetzes gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente können in einer der Figuren oder in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
Die Figur zeigt eine Steuervorrichtung 42 zur Steuerung eines Wärmenetzes 10 gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Das Wärmenetz 10 wird von einer Wärmeerzeugungsanlage 14 eines Wärmenetzbetreiber zentral betrieben. Die zentrale Wärmeerzeugungsanlage 14 umfasst eine Wärmenetzsteuerungseinheit zur primären Steuerung des Wärmenetzes 10. Hierzu weist das Wärmenetz 10 einen Vorlauf 11 mit einer Vorlauftemperatur und einen Rücklauf 12 mit einer Rücklauftemperatur auf. Typischerweise zirkuliert innerhalb des Wärmenetzes 10 beziehungsweise seiner Leitung ein Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, Dampf oder Fernkälte.
Mehrere Energiesysteme 2, 4 sind an das Wärmenetz 10 zum Wärmeaustausch angeschlossen, beispielsweise über einen Wärmetauscher. Die Energiesysteme 2, 4 können Wärme in das Wärmenetz 10 einspeisen und/oder ausspeisen. Exemplarisch sind die Energiesysteme 2, 4 in Wärmeverbraucher 2 und Wärmeerzeuger 4 unterteilt. Hierbei beziehen die Wärmeverbraucher 2 eine bestimmte Wärmemenge innerhalb eines Zeitbereiches. Die Wärmeerzeuger 4 stellen eine bestimmte Wärmemenge innerhalb des Zeitbereiches bereit. Weiterhin kann ein Wärmeverbrauch eine Wärmespeicherung durch eines der Energiesysteme 2 sein. Eine Wärmebereitstellung kann durch eine Wärmeerzeugung und/oder durch eine Bereitstellung durch einen Wärmespeicher erfolgen. Weiterhin kann ein Energiesystem 2, 4 ein Wärmeverbraucher und ein Wärmeerzeuger sein, wobei dies von Zeitbereich zu Zeitbereich variieren kann. Ferner kann durch die Energiesysteme 2, 4 eine Überschusswärme, beispielsweise Abwärme, in das Wärmenetz 10 eingespeist werden.
Die Energiesysteme 2, 4 können ergänzend mit weiteren Energieverteilernetzen, insbesondere Stromnetzen gekoppelt sein. Weiterhin sind die Energiesysteme 2, 4, die Steuerungsvorrichtung 42 sowie die Wärmeerzeugungsanlage 14 beziehungsweise die Wärmenetzsteuerungseinheit zum Austausch von Daten gekoppelt, beispielsweise internetbasiert. Dieser mögliche Austausch von Daten/Informationen ist symbolisch durch die gestrichelten Linien mit dem Bezugszeichen 41 gekennzeichnet.
Die Steuerungsvorrichtung 42 ist zur Steuerung der Wärmeaustausche zwischen den Energiesystemen 2, 4 ausgebildet. Sie bildet daher bezüglich der Energiesysteme 2, 4 eine zentrale Steuerungsvorrichtung 42 aus. Die Steuerungsvorrichtung 42 ermittelt zur Steuerung des Wärmenetzes 10 eine oder mehrere Steuerungsgrößen mittels einer mathematischen Optimierung beziehungsweise mittels eines Optimierungsverfahrens. Mit anderen Worten bilden die technischen Steuerungsgrößen, wie beispielsweise auszutauschende Wärmemengen/Wärmeleistungen und/oder Temperaturbereiche, die Variablen einer der Optimierung zugrundeliegenden Zielfunktion aus. Für die Optimierung sind jedoch grundsätzlich Informationen, insbesondere technische Kenndaten beziehungsweise technische Größen, aus den Energiesystemen 2, 4 erforderlich. Weiterhin sind technische Daten bezüglich des Wärmenetzes 10, insbesondere Netzrandbedingungen, vorteilhaft. Es ist daher vorgesehen, dass die Energiesysteme 2, 4 sowie die Wärmenetzsteuerungseinheit 14 den genannten Informationen entsprechende Daten an die Steuerungsvorrichtung 42 übermitteln.
Die Energiesysteme 2, 4 übermitteln die genannten Daten bevorzugt in Form eines Angebotes an die Steuerungsvorrichtung 42. Hierbei umfasst das jeweilige Angebot mehrere technische Größen bezüglich des zugehörigen Energiesystems 2, 4 und des vorgesehenen Wärmeaustausches. Insbesondere umfasst das Angebot eine maximale Wärmemenge, einen Anfangszeitpunkt für den Wärmeaustausch, einen Endzeitpunkt für den Wärmeaustausch, eine maximale Wärmeleistung, die Energieform, vorliegend Wärme, und/oder einen Temperaturbereich sowie weiterhin bevorzugt ein maximales Entgelt für einen Wärmeverbrauch und ein minimales Entgelt für eine Wärmebereitstellung. Die genannten Größen/Daten des Angebotes können zeitlich variieren, insbesondere als diskrete Zeitreihe vorliegen. In diesem Sinne bildet die Steuerungsvorrichtung 42 einen lokalen Wärmemarkt aus, da sie einen lokalen Wärmeaustausch zwischen den Energiesystemen 2, 4 ermöglicht.
Der Wärmenetzbetreiber beziehungsweise die Wärmenetzsteuerungseinheit 14 übermittelt bevorzugt eine Liste von Teilwärmenetzen des Wärmenetzes 10, eine Verknüpfung der Teilwärmenetze, einen Verlustkoeffizienten beziehungsweise eine Verlustrate jedes Teilwärmenetzes und/oder des gesamten Wärmenetzes 10, eine maximale Leistungskapazität der Teilwärmenetze beziehungsweise des Wärmenetzes 10 und/oder eine Zuordnung der Energiesysteme 2, 4 zu den einzelnen Teilwärmenetzen des Wärmenetzes 10 an die Steuerungsvorrichtung 42. Weiterhin übermittelt die Wärmenetzsteuerungseinheit 14 besonders bevorzugt eine thermische Speicherkapazität des Wärmenetzes 10 und/oder seiner Teilwärmenetze an die Steuerungsvorrichtung 42.
Die Steuerungsvorrichtung 42 führt anschließend, basierend auf wenigstens einen Teil der genannten übermittelten Daten, eine Optimierung durch. Hierzu wird mittels einer Zielfunktion und gegebenenfalls mehreren Nebenbedingungen ein Optimierungsproblem aufgestellt beziehungsweise dieses wird durch die Steuerungsvorrichtung 42 implementiert.
Beispielsweise ist die Zielfunktion symbolisch durch Z = Σ[w_Costs · Costs + W_CO2 · CO₂ + ···] festgelegt beziehungsweise implementiert, wobei die Punkte weitere Zielgrößen, die vorgesehen sein könnten, beispielsweise weitere Emissionen, andeuten. Hierbei sind w jeweilige für das Energiesystem spezifische Dichten, beispielsweise Wärmemenge pro Kohlenstoffdioxid oder Wärmemenge pro Entgelt. In dem genannten Beispiel wird die Zielfunktion und somit die Summe aus Gesamtkosten und Gesamtkohlenstoffdioxidemissionen minimiert.
Die Minimierung/Optimierung erfolgt unter mehreren Nebenbedingungen, die berücksichtigt werden. Beispielsweise muss Energieerhaltung im Zeitbereich erfüllt sein. Dies führt zu einer Nebenbedingung für die im Zeitbereich ausgetauschten Wärmeleistungen. Für den Verlust über eine Leitung beziehungsweise einen Leistungsabschnitt des Wärmenetzes 10 kann Pout = P_in(1 - α) angenommen werden, wobei α die übermittelte Verlustrate und P stets eine Wärmeleistung innerhalb des Zeitbereiches, die zur entsprechenden Wärmemenge korrespondiert, bezeichnet. Weiterhin folgt aus den Netzrandbedingungen P_in ≤ P_max, wobei Pmax die maximale Leitungskapazität bezeichnet.
Aus den übermittelten Angeboten folgt, dass für jedes Angebot die Nebenbedingungen Q ≤ Qmax sowie P ≤ P_{submitted,max} erfüllt sein muss, damit die technische maximale Wärmemenge Qmax beziehungsweise die technisch maximale Wärmeleistung P_{submitted,max} eingehalten werden kann. Q bezeichnet die Wärmemenge, die für den Austausch des Energiesystems vorgesehen ist beziehungsweise mittels der Optimierung ermittelt oder berechnet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Wärmenetz 10 als Wärmespeicher mit einer thermischen Speicherkapazität bei der Optimierung berücksichtigt. Dies erfolgt bevorzugt durch SOC_n+1 = SOC_n + P_charge - f_discharge für jeden Zeitschritt n. Weiterhin wird als technische Nebenbedingung SOC_end = SOC_start für den Zeitbereich gefordert, sodass sich das Wärmenetz 10 bezüglich Wärmeeinspeisung und Wärmeausspeisung durch die Energiesysteme 2, 4 neutral, das heißt wie ein Wärmespeicher, verhält.
Weiterhin werden übermittelte Toleranzbereiche, insbesondere bezüglich Temperaturen, als Nebenbedingungen bei der Optimierung berücksichtigt. Die Temperaturbereiche können ebenfalls für die numerische Implementierung der Optimierung diskretisiert werden, beispielsweise in Schritten von 5 Kelvin von 80 Grad Celsius bis 130 Grad Celsius.
Das Ergebnis der Optimierung umfasst als Steuerungsgrößen die Leistungen beziehungsweise Wärmemengen für den Bezug und die Einspeisung der einzelnen Energiesysteme 2, 4 innerhalb der einzelnen Zeitschritte beziehungsweise innerhalb des Zeitbereiches. Wird ein Entgelt bei der Optimierung verwendet, so kann das Ergebnis der Optimierung ebenfalls als Handelsergebnis bezeichnet werden. Weiterhin kann das Ergebnis der Optimierung als Steuerungsgrößen Zeitbereiche, wann die Wärmemengen/Wärmeleistung bezogen beziehungsweise bereitgestellt werden soll, sowie Temperaturbereiche, insbesondere Vorlauftemperaturen und/oder Rücklauftemperaturen sowie Emissionswerte, beispielswiese CO₂-Footprints, umfassen. Das Ergebnis der Optimierung beziehungsweise die Steuerungsgrößen, werden dann an die am Wärmeaustausch teilnehmenden Energiesysteme 2, 4 direkt und/oder über die Wärmenetzsteuerungseinheit 14 übermittelt. Weiterhin werden diese an die Wärmenetzsteuerungseinheit 14 übermittelt. Dadurch kann diese Pumpen und/oder Speicher des Wärmenetzes 10 und weitere wärmenetzspezifischen Anlagen entsprechend dem Ergebnis der Optimierung steuern.
Die Energiesysteme 2, 4 können aus dem Ergebnis der Optimierung (Steuerungsgrößen) einen Betriebsfahrplan ableiten, beispielsweise mittels eines Energiemanagementsystems, und so ihre Wärmeverbrauchsanlagen und/oder Wärmebereitstellungsanlagen optimal und entsprechend verwenden.
Zur Verifizierung der Leistungserbringung (Erzeugung, Bezug, Speicherung) durch die Energiesysteme 2, 4 sind Messgeräte, beispielswiese thermische Smart-Meter, erforderlich. Diese können die aktuelle thermische Leistung, damit integral die Wärmemenge in einem bestimmten Zeitbereich, beispielsweise 15-minütig oder stündlich, messen, sowie die Temperaturen im lokalen Vorlauf und lokalen Rücklauf des Wärmenetzes 10 und den lokalen Durchfluss.
Die Steuerungsvorrichtung 42 bildet somit im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen lokalen Wärmemarkt aus. Dieser lokale Wärmemarkt kann mit weiteren lokalen Energiemärkten für Wärme und/oder elektrische Energie und/oder weiteren Energieformen gekoppelt sein und im Austausch stehen. Weiterhin können gekoppelt mehrere Energieformen und deren Austausch zwischen den Energiesystemen 2, 4 durch die Steuerungsvorrichtung 42 durch eine Optimierung gesteuert 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

2: Energiesystem - Wärmeverbraucher
4: Energiesystem - Wärmeerzeuger
10: Wärmenetz
11: Vorlauf
12: Rücklauf
14: Wärmenetzsteuerungseinheit
41: Datenverbindung
42: Steuerungsplattform

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3518369 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Steuerung von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen (2, 4) mittels einer bezüglich der Energiesysteme (2, 4) zentralen Steuerungsvorrichtung (42), wobei die Energiesysteme (2, 4) an einem für die Wärmeaustausche vorgesehenen Wärmenetz (10) angebunden sind, wobei mittels der Steuerungsvorrichtung (42) wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches die Wärmeaustausche basierend auf einer mathematischen Optimierung gesteuert und hierzu vorgesehene Steuerungsgrößen, insbesondere energiesystemspezifische Energiemengen und/oder Temperaturbereiche, basierend auf technischen Größen der Energiesysteme und/oder technischen Netzrandbedingungen des Wärmenetzes (10) ermittelt werden, gekennzeichnet dadurch, dass bei der Optimierung mittels der Steuerungsvorrichtung (42) die Steuerungsgrößen unter Berücksichtigung einer thermischen Speicherkapazität des Wärmenetzes (10) ermittelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das Wärmenetz (10) wenigstens ein Teilwärmenetz i aufweist, und als thermische Speicherkapazität des Wärmenetzes (10) die thermische Speicherkapazität des Teilwärmenetzes i verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die thermische Speicherkapazität durch eine Wärmenetzsteuerungseinheit (14) des Wärmenetzes (10) an die Steuerungsvorrichtung (42) übermittelt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Netzrandbedingungen des Wärmenetzes (10) und/oder weitere physikalische Randbedingungen des Wärmenetzes (10) durch die Wärmenetzsteuerungseinheit (14) an die Steuerungsvorrichtung (42) übermittelt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass die Netzrandbedingungen eine Unterteilung des Wärmenetzes (10) in seine Teilwärmenetze, eine Zuordnung der Energiesysteme (2, 4) zu den Teilwärmenetzen, Knoten- und/oder Verknüpfungspunkte der Teilwärmenetze, einen Verlustkoeffizient und/oder eine maximale Leistungskapazität des Wärmenetzes (10) umfassen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Netzrandbedingungen des Wärmenetzes (10) bei der Optimierung innerhalb einer oder mehreren Nebenbedingungen verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die energiesystemspezifischen technischen Größen weiterhin eine jeweilige innerhalb des Zeitbereiches maximale verbrauchbare, speicherbare und/oder bereitstellbare Wärmemenge, eine jeweilige maximale Wärmeleistung und/oder eine jeweilige Vorlauftemperatur und/oder eine jeweilige Rücklauftemperatur umfassen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass eine oder mehrere der energiesystemspezifischen technischen Größen mit einem zugehörigen Toleranzbereich von dem jeweiligen Energiesystem (2, 4) an die Steuerungsvorrichtung (42) übermittelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Toleranzbereiche bei der Optimierung innerhalb einer oder mehreren Nebenbedingungen verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeichnet dadurch, dass die thermische Speicherkapazität bei der Optimierung innerhalb einer oder mehrerer Nebenbedingungen verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass das Teilwärmenetz i eine minimale thermische Speicherkapazität SOC_i,min und eine maximale thermische Speicherkapazität SOC_i,max aufweist, wobei bei der Optimierung die Nebenbedingung SOC_i,min ≤ SOC_i ≤ SOC_i,max verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, dass eine der Nebenbedingungen der Optimierung eine zeitliche Entwicklung der thermischen Speicherkapazität innerhalb des Zeitbereiches modelliert, wobei hierzu Entladungen P_i,charge und Beladungen P_i,discharge des Teilwärmenetzes i innerhalb des Zeitbereiches berücksichtigt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, dass der Zeitbereich für die Optimierung in mehrere Zeitschritte n unterteilt wird, und für die thermische Speicherkapazität die Nebenbedingung SOC_i,n+1 = SOC_i,n + P_i,charge - P_i,discharge verwendet wird.
Steuerungsvorrichtung (42) zur Steuerung von Wärmeaustauschen zwischen mehreren Energiesystemen (2, 4), die an einem für die Wärmeaustausche vorgesehenes Wärmenetz (10) angebunden sind, wobei die Steuerungsvorrichtung (42) dazu ausgebildet ist, wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches die Wärmeaustausche basierend auf einer mathematischen Optimierung zu steuern und hierzu vorgesehene Steuerungsgrößen, insbesondere energiesystemspezifische Energiemengen und/oder Temperaturbereiche, basierend auf technischen Größen der Energiesysteme (2, 4) und/oder des Wärmenetzes (10) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (42) dazu ausgebildet ist, bei der Optimierung die Steuerungsgrößen unter Berücksichtigung einer thermischen Speicherkapazität des Wärmenetzes (10) zu ermitteln.
Steuerungsvorrichtung (42) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese dazu ausgebildet ist, die thermische Speicherkapazität des Wärmenetzes (10) von einer Wärmenetzsteuerungseinheit (14) des Wärmenetzes in Form von Daten zu empfangen.