WO2021219265A1 - Verfahren zur steuerung von wärmeaustauschen sowie zugehörige steuerungsvorrichtung - Google Patents

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WO2021219265A1
WO2021219265A1 PCT/EP2021/053171 EP2021053171W WO2021219265A1 WO 2021219265 A1 WO2021219265 A1 WO 2021219265A1 EP 2021053171 W EP2021053171 W EP 2021053171W WO 2021219265 A1 WO2021219265 A1 WO 2021219265A1
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WO
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heating network
heat
network
control device
optimization
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/053171
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English (en)
French (fr)
Inventor
Vladimir Danov
Stefan Niessen
Sebastian Schreck
Jochen SCHÄFER
Sebastian THIEM
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06Q—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES; SYSTEMS OR METHODS SPECIALLY ADAPTED FOR ADMINISTRATIVE, COMMERCIAL, FINANCIAL, MANAGERIAL OR SUPERVISORY PURPOSES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G06Q10/00—Administration; Management
    • G06Q10/06—Resources, workflows, human or project management; Enterprise or organisation planning; Enterprise or organisation modelling
    • G06Q10/063—Operations research, analysis or management
    • G06Q10/0631—Resource planning, allocation, distributing or scheduling for enterprises or organisations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a control device according to the preamble of claim 14.
  • Energy systems such as communities, districts, households, buildings, companies, industrial sites, factories, campuses and / or the like can be supplied with local or district heating.
  • the district or local heating supply takes place via a heating network of a district or local heating supplier.
  • a regional municipal utility is such a district or local heating supplier.
  • the heat can be generated or provided via a central heat generation system of the heat supplier, for example by means of a gas boiler and / or block-type thermal power station.
  • heating networks have higher losses.
  • thermal compo- elements of the energy systems (participants) participating in heat exchange have so far not been adequately taken into account.
  • the present invention is based on the object of providing a technically more efficient local heating market so that, in particular, synergies between the energy systems can be used in an improved manner.
  • the method according to the invention and / or one or more functions, features and / or steps of the method according to the invention can be computer-aided.
  • a local heating market according to the invention comprises the control device according to the invention.
  • the control device preferably forms a local heating market.
  • the local heat market is technically made possible by the control device.
  • the control device can thus also be referred to as a control platform and forms the technical basis of the associated local heating market.
  • the control device can be independent of a heating network operator of the heating network.
  • control includes regulation, so that the control device is also designed as a control device for regulating the heating network.
  • the heating network can be designed as a local heating network, district heating network, local cooling network, district cooling network and / or anergy network.
  • control variables or control variables on which the control is based are determined by means of the mathematical optimization that is carried out in a centralized manner by the control device with respect to the energy systems. In this sense, there is a model predictive regulation of the heating network by the control device.
  • An optimization within the meaning of the present invention is a method for minimizing or maximizing a target function.
  • the objective function typically models the entirety of the technically complex energy systems. The minimization or maximization of the objective function is thus typically extremely complex and can therefore only be done numerically.
  • the target function models or characterizes a property or a technical variable of the energy system (s), for example the carbon dioxide emissions, the amount of heat generated and / or the operating costs.
  • the objective function has parameters and variables.
  • the result of the optimization are the values of the variables, in this case the control variables, in particular the energy system-specific heat quantities and / or temperature ranges provided for the respective heat exchange.
  • the control parameters are technical parameters of the respective energy system, for example amounts of energy / amounts of heat and / or temperature ranges.
  • control variables have an indirect or direct influence on the operation of the energy system.
  • a direct control of the energy systems is typically not required, so that the implementation of the determined control variables, such as starting up, shutting down, operating changes and / or connecting systems, can be left to the respective energy systems.
  • the optimization is typically carried out taking into account several secondary conditions, which in particular model physical and technical boundary conditions of the individual energy systems and / or the heating network. This ensures that the optimization solution can be implemented technically and physically.
  • technical boundary conditions and / or network boundary conditions of the heating network are taken into account by the optimization carried out centrally. For example, a maximum temperature of the heating network must not be exceeded.
  • the present invention is characterized in that, during the optimization by means of the control device, the control variables are determined taking into account a thermal storage capacity of the heating network.
  • the thermal inertia of the heating network is taken into account in the optimization.
  • the heating network is viewed according to the invention as a heat storage device which has a thermal storage capacity.
  • a technical characteristic of a heat storage system is that it only serves the system within the target function. lent is used or modeled. As a result, it does not contribute to maximizing or minimizing the target function value, for example to maximizing the heat conversion or to minimizing emissions, in particular carbon dioxide emissions.
  • the thermal storage capacity of the heating network is thus used in the optimization, in particular within a network model (mathematical model of the heating network within the target function and / or in the form of secondary conditions).
  • the heating network acts like a buffer storage, which enables at least partial decoupling between heat consumption and heat supply.
  • the heating network is thus modeled as a heat store and taken into account accordingly in the optimization, that is, in the matching algorithm of the local heat market.
  • a day-ahead procedure or an intraday procedure is possible here, that is to say the time range is the next day or a time range of the next or current day. Due to the thermal inertia of the heating network, an almost real-time process is still conceivable, so that the time range is one hour or 15 minutes.
  • control variables can be transmitted to the energy systems and / or at least partially in a centralized manner to the heating network operator. Since the control variables are the result of the optimization by the control device and thus technically determine which energy system requires how much heat draws or provides, these can also be referred to as trading income in the context of a local heating market.
  • the technical variables provided for determining the control variables can be transmitted to the control platform by the energy systems and / or the heating network operator.
  • the network boundary conditions of the heating network are preferably transmitted to the control device by the heating network operator.
  • the heating network operator preferably transmits further data / information to the control platform, in particular an assignment of the energy systems with regard to the heating network (subscriber localization), division of the heating network into partial heating networks with different temperatures, energy systems (subscriber groups) and / or pressure levels combined to form partial heating networks / or a current or forecast state of the heating network.
  • thermal storage capacity of the heat network is particularly preferably transmitted to the control device by the heat network operator.
  • the technical parameters and / or the thermal storage capacity of the heating network can be calculated or estimated by the control device, for example from the network boundary conditions of the heating network minus the energy systems that do not participate in the local heating market, in particular by means of a prognosis regarding the heat consumption (heat consumption ) or heat provision of the non-participating energy systems and a subsequent load flow calculation.
  • the above-mentioned data / information can be taken into account by the control device during the optimization, in particular within the target function and / or as a secondary condition of the optimization.
  • the energy systems that is to say the participants in the heating network, are no longer on Static contracts with the heating network operator bound, but rather the operation of the heating network, in particular the heat consumption and / or the heat supply via the heating network, are dyna mized by the control device according to the invention. Furthermore, the boundary conditions according to which the heat exchanges are determined are transparent and understandable for all participants. Furthermore, decentralized heat storage and / or energy storage of the energy systems can be taken into account. Ultimately, the entire operation of the heating network and the energy systems will continue to be optimized and improved with regard to its energetic efficiency, its total emissions and / or its operating costs.
  • the control device according to the invention for controlling heat exchanges between several energy systems that are connected to a heat network provided for heat exchanges is designed to control the heat exchanges at least within a time range based on a mathematical optimization and control variables provided for this purpose, in particular energy-system-specific energy Quantities and / or temperature ranges based on the technical parameters of the energy systems and / or the heating network.
  • the control device according to the invention is characterized in that it is designed to determine the control variables during optimization, taking into account a thermal storage capacity of the heating network.
  • the heating network has at least one partial heating network i, the thermal storage capacity of the partial heating network i being used as the thermal storage capacity of the heating network.
  • the heating network is or is divided into several partial heating networks.
  • the thermal storage capacity is transmitted to the control device by a heating network control unit of the heating network.
  • control device is further designed to receive the thermal storage capacity of the heating network from the heating network control unit of the heating network in the form of data.
  • the heating network control unit is designed to control the heating network, for example to control the flow temperature and / or return temperature of the heating network and / or the mass flow rate of the heating network.
  • the heating network control unit is operated by the heating network operator or is covered by them. The thermal storage capacity is thus advantageously transmitted to the control device by the heating network operator.
  • the network boundary conditions of the heating network and / or other physical boundary conditions of the heating network are transmitted by the heating network control unit to the control device.
  • the network boundary conditions are determined by the control device based on existing and / or historical data of the heating network.
  • the heating network operator who operates or comprises the heating network control unit advantageously already has the information and / or technical systems, for example measuring devices, for provision, determination and / or transmission of the network boundary conditions and / or the further physical boundary conditions.
  • the heating network operator is typically familiar with the technical boundary conditions of his heating network, so that he can transmit them to the control device via the heating network control unit without any further technical effort.
  • the network boundary conditions include a subdivision of the heating network into its partial heating networks, an assignment of the energy systems to the partial heating networks (subscriber localization), nodes and / or connection points of the partial heating networks, a loss coefficient and / or a maximum output capacity of the heating network .
  • the loss coefficients can be provided and / or determined at the level of the lines of the heating network and / or at the level of the partial heating network and / or at the level of the entire heating network.
  • the network boundary conditions of the heating network are used in the optimization within one or more secondary conditions.
  • the technical network boundary conditions form one or more secondary conditions in the optimization.
  • the network boundary conditions are therefore included as secondary conditions in the optimization or in the optimization problem. This advantageously ensures that a technically and / or physically realizable result is determined during the optimization in the form of the control variables.
  • the physical boundary conditions which also form fundamental technical boundary conditions, can be a temperature level, a power, a fluid speed or dwell time, the speed of a temperature front, temperature mixing and / or thermal losses of the heating network can be used.
  • the energy-system-specific technical variables also include a respective maximum amount of heat that can be smoked, stored and / or provided within the time range, a respective maximum heat output and / or a respective flow temperature and / or a respective return temperature.
  • an offer for a heat exchange that is for a heat consumption (heat output) and / or a heat supply (heat supply), in particular special heat generation, is transmitted to the control device.
  • a heat consumption heat output
  • a heat supply heat supply
  • at least the maximum amount of heat that can be consumed, stored and / or provided within the time range or the associated services are decisive. This ensures that technical energy system-internal boundary conditions are taken into account by the optimization.
  • an associated maximum fee for a maximum heat consumption and a minimum associated fee for a maximum supply of heat can be transmitted to the control device and can be taken into account by this in the optimization.
  • one or more of the energy system-specific technical variables with an associated tolerance range are transmitted from the respective energy system to the control device.
  • the tolerance ranges of the technical variables are taken into account in the optimization by the control device.
  • the tolerance ranges can therefore be viewed as part of the offers. This enables a more stable operation of the heating network before geous enough.
  • the tolerance ranges are transmitted to the heating network control unit and thus to the heating network operator after the optimization, so that the heating network can be operated as optimally as possible by the heating network control unit within the tolerance ranges.
  • the tolerance ranges can be transmitted by the unit control device and / or by the energy systems to the thermal power control ⁇ .
  • the tolerance ranges are preferably taken into account as secondary conditions in the optimization.
  • the tolerance ranges identify a permissible range of values for the technical variables, for example a temperature and / or a thermal output. This ensures that the optimization takes these tolerance ranges into account when determining the solution, i.e. when determining the control variables.
  • the partial heating network i has a minimum thermal storage capacity SO mjn and a maximum thermal storage capacity SO max , the secondary condition SO mjn ⁇ during optimization
  • the minimum and maximum thermal SpeI ⁇ cherkapaztician can by the heat network control unit, that is, by the heat network operator are transmitted to the processing Steuerungsvorrich.
  • the heating network is modeled as a heat store and taken into account accordingly in the optimization.
  • the thermal inertia of the heating network is advantageously taken into account when optimizing and thus when determining the control variables and thus when operating the heating network.
  • time range for the optimization is subdivided into several time steps n, and the secondary condition for the thermal storage capacity is used.
  • the single figure shows a control device for controlling a heat network according to an embodiment of the present invention.
  • the figure shows a control device 42 for controlling a heating network 10 according to an embodiment of the present invention.
  • the heating network 10 is operated centrally by a heat generation system 14 egg nes heating network operator.
  • the central heat generation system 14 comprises a heating network control unit for the primary control of the heating network 10.
  • the heating network 10 has a flow 11 with a flow temperature and a return 12 with a return temperature.
  • a heat transfer medium in particular water, steam or district cooling, circulates within the heating network 10 or its line.
  • Several energy systems 2, 4 are connected to the heating network 10 for heat exchange, for example via a heat exchanger.
  • the energy systems 2, 4 can feed heat into the heat network 10 and / or feed it out.
  • the energy systems 2, 4 are divided into heat consumers 2 and heat generators 4.
  • the heat consumers 2 refer to a certain amount of heat within a time range.
  • the heat generator 4 provide a certain amount of heat within the time range. Furthermore, heat consumption can be heat storage by one of the energy systems 2. Heat can be provided by generating heat and / or by providing heat by means of a heat store. Furthermore, an energy system 2, 4 can be a heat consumer and a heat generator, it being possible for this to vary from time range to time range. Furthermore, excess heat, for example waste heat, can be fed into the heating network 10 through the energy systems 2, 4.
  • the energy systems 2, 4 can also be coupled to other energy distribution networks, in particular power networks. Furthermore, the energy systems 2, 4, the control device 42 and the heat generation system 14 or the heat network control unit are coupled for exchanging data, for example internet-based. This possible exchange of data / information is symbolically identified by the dashed lines with the reference numeral 41.
  • the control device 42 is designed to control the heat exchanges between the energy systems 2, 4. It therefore forms a central control device 42 with regard to the energy systems 2, 4.
  • the control device 42 determines one or more control variables by means of a mathematical optimization or by means of an optimization method.
  • the technical control variables such as heat quantities / heat outputs to be exchanged and / or temperature ranges, for example, form the variables of a target function on which the optimization is based.
  • information in particular technical characteristic data or technical variables, from the energy systems 2, 4 is generally required.
  • technical data relating to the heating network 10, in particular Netzrandbe conditions are advantageous. It is therefore provided that the energy systems 2, 4 and the heating network control unit 14 transmit data corresponding to the aforementioned information to the control device 42.
  • the energy systems 2, 4 transmit the mentioned data preferably in the form of an offer to the control device 42.
  • the respective offer comprises several technical variables with regard to the associated energy system 2, 4 and the intended heat exchange.
  • the offer includes a maximum amount of heat, a start time for the heat exchange, an end time for the heat exchange, a maximum heat output, the form of energy, in this case heat, and / or a temperature range and, furthermore, preferably a maximum fee for heat consumption and a minimum Fee for the provision of heat.
  • the specified sizes / data of the offer can vary over time, in particular be available as a discrete time series. In this sense, the control device 42 forms a local heat market, since it enables a local heat exchange between the energy systems 2, 4.
  • the heating network operator or the heating network control unit 14 preferably transmits a list of partial heating networks of the heating network 10, a link between the partial heating networks, a loss coefficient or a loss rate of each partial heating network and / or the entire heating network 10, a maximum output capacity of the partial heating networks or the heating network 10 and / or an assignment of the energy systems 2, 4 to the individual partial heating networks of the heating network 10 to the control device 42. Furthermore, the heating network control unit 14 particularly preferably transmits a thermal storage capacity of the heating network 10 and / or its partial heating networks to the control device 42.
  • the control device 42 then carries out an optimization based on at least some of the aforementioned transmitted data.
  • an optimization problem is set up by means of an objective function and, if necessary, several secondary conditions, or this is implemented by the control device 42.
  • w are the respective densities specific to the energy system, for example the amount of heat per carbon dioxide or the amount of heat per charge.
  • the objective function and thus the sum of total costs and total carbon dioxide emissions are minimized.
  • transmitted tolerance ranges in particular with regard to temperatures, are taken into account as secondary conditions in the optimization.
  • the temperature ranges can also be discretized for the numerical implementation of the optimization, for example in steps of 5 Kelvin from 80 degrees Celsius to 130 degrees Celsius.
  • the result of the optimization includes, as control variables, the outputs or heat quantities for the reference and the feed-in of the individual energy systems 2, 4 within the individual time steps or within the time range. If a fee is used in the optimization, the result of the optimization can also be referred to as the trading result. Furthermore, the result of the optimization can include time ranges as control variables when the heat quantities / heat output should be drawn or provided, as well as temperature ranges, in particular flow temperatures and / or return temperatures and emission values, for example C0 2 footprints.
  • the result of the optimization or the control variables are then transmitted to the energy systems 2, 4 participating in the heat exchange directly and / or via the heating network control unit 14. Furthermore, these are transmitted to the heating network control unit 14. This allows these pumps and / or Control memory of the heating network 10 and other heating network-specific systems according to the result of the optimization.
  • the energy systems 2, 4 can derive an operating schedule from the result of the optimization (control variables), for example by means of an energy management system, and thus use their heat consumption systems and / or heat supply systems optimally and accordingly.
  • measuring devices such as thermal smart meters, are required. These can measure the current thermal output, thus integrally the amount of heat in a specific time range, for example every 15 minutes or hourly, as well as the temperatures in the local flow and local return of the heating network 10 and the local flow.
  • the control device 42 thus forms a local heat market in the present exemplary embodiment.
  • This local heat market can be coupled with other local energy markets for heat and / or electrical energy and / or other forms of energy and be in exchange.
  • several forms of energy coupled and their exchange between the energy systems 2, 4 can be controlled by the control device 42 through optimization.

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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

Beschreibung
Verfahren zur Steuerung von Wärmeaustauschen sowie zugehörige Steuerungs orrichtung
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 Fernwär me versorgt werden. Typischerweise erfolgt hierbei die Fern oder Nahwärmelieferung über ein Wärmenetz eines Fern- bezie hungsweise Nahwärmeversogers. Beispielsweise ist ein regiona les Stadtwerk ein solcher Fern- oder Nahwärmeversorger. Die Wärme kann über eine zentrale Wärmeerzeugungsanlage des Wär meversorgers, beispielsweise mittels Gaskessel und/oder Blockheizkraftwerke, erzeugt beziehungsweise bereitgestellt werden.
Nachteilig an bekannten Wärmenetzen ist, dass technische Sy nergien zwischen den Teilnehmern, das heißt zwischen den ein zelnen 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 Ener giemarkt ist beispielsweise aus dem Dokument EP 3518369 Al 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 Wärme netze höhere Verluste auf. Weiterhin werden thermische Kompo- nenten 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 Steuerungs vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspru ches 14 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vor teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Steuerung von Wärmeaustau schen zwischen mehreren Energiesystemen mittels einer bezüg lich der Energiesysteme zentralen Steuerungsvorrichtung, wo bei die Energiesysteme an einem für die Wärmeaustausche vor gesehenen Wärmenetz angebunden sind, und mittels der Steue rungsvorrichtung wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches die Wärmeaustausche basierend auf einer mathematischen Optimie rung gesteuert und hierzu vorgesehene Steuerungsgrößen, ins besondere 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 erfin dungsgemäße Steuerungsvorrichtung. Bevorzugt bildet die Steu erungsvorrichtung einen lokalen Wärmemarkt aus. Mit anderen Worten wird der lokale Wärmemarkt technisch durch die Steue rungsvorrichtung ermöglicht. Die Steuerungsvorrichtung kann somit ebenfalls als Steuerungsplattform bezeichnet werden und bildet die technische Grundlage des zugehörigen lokalen Wärm marktes aus. Die Steuerungsvorrichtung kann unabhängig von einem Wärmenetzbetreiber des Wärmenetzes sein.
Vorliegend umfasst der Begriff des Steuerns ein Regeln, so- dass die Steuerungsvorrichtung ebenfalls als Regelvorrichtung zur Regelung des Wärmenetzes ausgebildet ist.
Das Wärmenetz kann als Nahwärmenetz, Fernwärmenetz, Nahkälte netz, Fernkältenetz und/oder Anergienetz ausgebildet sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt das Ermitteln der der Steuerung zugrundeliegenden Steuerungsgrößen oder Regel größen mittels der mathematischen Optimierung, die durch die Steuerungsvorrichtung bezüglich der Energiesysteme zentrali siert durchgeführt wird. In diesem Sinne liegt eine modell prädikative Regelung des Wärmenetzes durch die Steuerungsvor richtung vor.
Eine Optimierung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Minimierung oder Maximierung einer Zielfunkti on. Hierbei modelliert die Zielfunktion typischerweise die Gesamtheit der technisch komplexen Energiesysteme. Die Mini mierung beziehungsweise Maximierung der Zielfunktion ist so mit typischerweise äußerst komplex und kann daher lediglich numerisch erfolgen. Die Zielfunktion modelliert beziehungs weise 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 Wer te der Variablen, vorliegend die Steuerungsgrößen, insbeson dere die bezüglich des jeweiligen Wärmeaustausches vorgesehe nen energiesystemspezifischen Wärmemengen und/oder Tempera turbereiche. Die Steuerungsgrößen sind technische Größen des jeweiligen Energiesystems, beispielsweise Energiemen gen/Wärmemengen und/oder Temperaturbereiche. Diese sind für die Steuerung der Energiesysteme beziehungsweise der Wärme austausche vorgesehen und legen insbesondere die innerhalb des Zeitbereiches zu verbrauchende Wärmemenge und/oder zu er zeugende 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 Umset zung bezüglich ermittelten Steuerungsgrößen, beispielsweise ein Anfahren, Abfahren, Betriebsänderungen und/oder Zuschal ten 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 tech nisch sowie physikalisch umsetzbar ist.
Erfindungsgemäß werden technische Randbedingungen und/oder Netzrandbedingungen des Wärmenetzes durch die zentral durch geführte Optimierung berücksichtigt. Beispielsweise darf eine maximale Temperatur des Wärmenetzes nicht überschritten wer den.
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 Wärmespei cher angesehen, der eine thermische Speicherkapazität auf weist. Ein technisches Kennzeichen eines Wärmespeichers ist, dass dieser innerhalb der Zielfunktion lediglich systemdien- lieh verwendet beziehungsweise modelliert wird. Dadurch trägt dieser nicht zur Maximierung oder Minimierung des Zielfunkti onswertes, beispielsweise zur Maximierung des Wärmeumsatzes oder zur Minimierung der Emissionen, insbesondere der Kohlen stoffdioxidemissionen, bei. Die thermische Speicherkapazität des Wärmenetzes wird somit bei der Optimierung, insbesondere innerhalb eines Netzmodells (mathematisches Modell des Wärme netzes innerhalb der Zielfunktion und/oder in Form von Neben bedingungen), verwendet. Dadurch können Synergien zwischen den Energiesystemen, insbesondere im Hinblick auf Wärmeerzeu gung und Wärmeverbrauch, verbessert genutzt werden. Das ist insbesondere deshalb der Fall, da aufgrund der erfindungsge mäßen Berücksichtigung der thermischen Trägheit des Wärmenet zes, der lokale Wärmeverbrauch und die lokale Wärmebereit stellung verbessert in Übereinstimmung gebracht werden kön nen. Hierbei wirkt das Wärmenetz im Rahmen der Optimierung wie ein Pufferspeicher, der eine wenigstens teilweise Ent kopplung zwischen Wärmeverbrauch und Wärmebereitstellung er möglicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird somit das Wärmenetz als Wärmespeicher modelliert und entsprechend bei der Optimie rung, das heißt beim Matching-Algorithmus des lokalen Wärme marktes, 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 wenigs tens teilweise zentralisiert an den Wärmenetzbetreiber über mittelt werden. Da die Steuerungsgrößen das Ergebnis der Op timierung durch die Steuerungsvorrichtung sind und somit technisch festlegen, welches Energiesystem wieviel Wärme be- zieht oder bereitstellt, können diese im Rahmen eines lokalen Wärmemarktes ebenfalls als Handelsergebnis bezeichnet werden.
Die zum Ermitteln der Steuerungsgrößen vorgesehenen techni schen Größen können durch die Energiesysteme und/oder den Wärmenetzbetreiber an die Steuerungsplattform übermittelt werden. Die Netzrandbedingungen des Wärmenetzes werden bevor zugt durch den Wärmenetzbetreiber an die Steuerungsvorrich tung übermittelt. Der Wärmenetzbetreiber übermittelt bevor zugt weitere Daten/Informationen an die Steuerungsplattform, insbesondere eine Zuordnung der Energiesysteme bezüglich des Wärmenetzes (Teilnehmer-Lokalisierung), Aufteilung des Wärme netzes in Teilwärmenetze mit verschiedenen Temperaturen, zu Teilwärmenetzen zusammengefasste Energiesysteme (Teilnehmer gruppen) und/oder Druckniveaus und/oder einen aktuellen oder prognostizierten Zustand des Wärmenetzes.
Weiterhin wird die thermische Speicherkapazität des Wärmenet zes 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 Wärme netzes abzüglich der nicht am lokalen Wärmemarkt teilnehmen den Energiesysteme, insbesondere mittels einer Prognose be züglich 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 Steuerungsvor richtung berücksichtigt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind somit die Energiesyste me, das heißt die Teilnehmer des Wärmenetzes, nicht mehr an statische Verträge mit dem Wärmenetzbetreiber gebunden, son dern der Betrieb des Wärmenetzes, insbesondere der Wärmever brauch und/oder die Wärmebereitstellung über das Wärmenetz, werden durch die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung dyna misiert. Weiterhin sind die Randbedingungen gemäß welcher die Wärmeaustausche ermittelt werden für alle Teilnehmer transpa rent und nachvollziehbar. Ferner können dezentrale Wärmespei cher und/oder Energiespeicher der Energiesysteme berücksich tigt werden. Letztendlich wird weiterhin der gesamte Betrieb des Wärmenetzes und der Energiesysteme optimiert und bezüg lich 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 angebun den sind, ist dazu ausgebildet, wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches die Wärmeaustausche basierend auf einer mathe matischen Optimierung zu steuern und hierzu vorgesehene Steu erungsgrößen, insbesondere energiesystemspezifische Energie mengen und/oder Temperaturbereiche, basierend auf technischen Größen der Energiesysteme und/oder des Wärmenetzes zu ermit teln. Die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass diese dazu ausgebildet ist, bei der Op timierung 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 je des Teilwärmenetz des Wärmenetzes eine jeweilige thermische Speicherkapazität bereitgestellt und bei der Optimierung be rücksichtigt. Mit anderen Worten wird beziehungsweise ist das Wärmenetz in mehrere Teilwärmenetze unterteilt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die thermische Speicherkapazität durch eine Wärmenetzsteuerungs einheit des Wärmenetzes an die Steuerungsvorrichtung übermit telt.
Mit anderen Worten ist es besonders bevorzugt, wenn die Steu erungsvorrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, die thermi sche Speicherkapazität des Wärmenetzes von der Wärmenetzsteu erungseinheit des Wärmenetzes in Form von Daten zu empfangen.
Die Wärmenetzsteuerungseinheit ist zur Steuerung des Wärme netzes ausgebildet, beispielsweise zur Steuerung der Vorlauf temperatur und/oder Rücklauftemperatur des Wärmenetzes und/oder des Massendurchflusses des Wärmenetzes. Typischer weise wird die Wärmenetzsteuerungseinheit durch den Wärme netzbetreiber betrieben beziehungsweise ist durch diesen um fasst. Vorteilhafterweise wird somit die thermische Speicher kapazität durch den Wärmenetzbetreiber an die Steuerungsvor richtung übermittelt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Netzrandbedingungen des Wärmenetzes und/oder weitere phy sikalische Randbedingungen des Wärmenetzes durch die Wärme netzsteuerungseinheit an die Steuerungsvorrichtung übermit telt.
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, bei spielsweise Messvorrichtungen, zur Bereitstellung, Bestimmung und/oder Übermittlung der Netzrandbedingungen und/oder der weiteren physikalischen Randbedingungen, auf. Mit anderen Worten sind dem Wärmenetzbetreiber die technischen Randbedin gungen seines Wärmenetzes typischerweise bekannt, sodass die ser diese über die Wärmenetzsteuerungseinheit an die Steue rungsvorrichtung ohne weiteren technischen Aufwand übermit teln 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 Ver lustkoeffizient 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 Teilwärme netzes und/oder auf Ebene des gesamten Wärmenetzes bereitge stellt 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 grundsätzli che technische Randbedingungen ausbilden, können ein Tempera turniveau, eine Leistung, eine Fluidgeschwindigkeit bezie hungsweise Verweilzeit, die Geschwindigkeit einer Temperatur- front, eine Temperaturdurchmischung und/oder thermische Ver luste des Wärmenetzes verwendet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfassen die energiesystemspezifischen technischen Größen weiterhin eine jeweilige innerhalb des Zeitbereiches maximale verb rauchbare, 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), insbe sondere eine Wärmeerzeugung, an die Steuerungsvorrichtung übermittelt. Für ein solches Angebot ist wenigstens die in nerhalb des Zeitbereiches maximal verbrauchbare, speicherbare und/oder bereitstellbare Wärmemenge beziehungsweise zugehöri ge Leistungen entscheidend. Dadurch wird sichergestellt, dass technische energiesysteminterne Randbedingungen durch die Op timierung berücksichtigt werden. Weiterhin kann für einen ma ximalen Wärmeverbrauch ein zugehöriges maximales Entgelt und für eine maximale Wärmebereitstellung ein minimales zugehöri ges 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 jeweili gen Energiesystem an die Steuerungsvorrichtung übermittelt.
Mit anderen Worten werden die Toleranzbereiche der techni schen Größen bei der Optimierung durch die Steuerungsvorrich tung berücksichtigt. Die Toleranzbereiche können somit als Bestandteil der Angebote angesehen werden. Dadurch wird vor teilhafterweise ein stabilerer Betrieb des Wärmenetzes ermög licht. 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 Wärmenetzsteuerungs¬ einheit 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 sicher gestellt, dass die Optimierung diese Toleranzbereiche beim Ermitteln der Lösung, das heißt beim Ermitteln der Steue rungsgrößen, berücksichtigt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Teilwärmenetz i eine minimale thermische Speicherkapazität SO mjn und eine maximale thermische Speicherkapazität SO max auf, wobei bei der Optimierung die Nebenbedingung SO mjn <
SOCj < SO max verwendet wird.
Dadurch wird eine vorteilhafte Berücksichtigung der thermi schen Speicherkapazität des Wärmenetzes bei der Optimierung bereitgestellt. Die minimale und maximale thermische Spei¬ cherkapazität kann durch die Wärmenetzsteuerungseinheit, das heißt durch den Wärmenetzbetreiber, an die Steuerungsvorrich tung übermittelt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung model liert eine der Nebenbedingungen der Optimierung eine zeitli che Entwicklung der thermischen Speicherkapazität innerhalb des Zeitbereiches, wobei hierzu Entladungen PiCharge und Bela¬ dungen P^discharge des Teilwärmenetzes i innerhalb des Zeitberei¬ ches berücksichtigt werden.
Mit anderen Worten wird das Wärmenetz als Wärmespeicher mo delliert 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 berücksich tigt.
Hierbei ist es besonders bevorzugt, wenn der Zeitbereich für die Optimierung in mehrere Zeitschritte n unterteilt wird, und für die thermische Speicherkapazität die Nebenbedingung
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verwendet wird.
Dadurch wird eine besonders vorteilhafte Berücksichtigung der thermischen Trägheit des Wärmenetzes in Form einer Modellie rung als Wärmespeicher ermöglicht.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbei spielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigt die einzige Figur eine Steuerungsvorrichtung zur Steuerung eines Wärme netzes gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Gleichartige, gleichwertige oder gleichwirkende Elemente kön nen 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 Er findung.
Das Wärmenetz 10 wird von einer Wärmeerzeugungsanlage 14 ei nes Wärmenetzbetreiber zentral betrieben. Die zentrale Wärme erzeugungsanlage 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. Typi scherweise zirkuliert innerhalb des Wärmenetzes 10 bezie hungsweise seiner Leitung ein Wärmeträgermedium, insbesondere Wasser, Dampf oder Fernkälte. Mehrere Energiesysteme 2, 4 sind an das Wärmenetz 10 zum Wär meaustausch angeschlossen, beispielsweise über einen Wärme tauscher. Die Energiesysteme 2, 4 können Wärme in das Wärme netz 10 einspeisen und/oder ausspeisen. Exemplarisch sind die Energiesysteme 2, 4 in Wärmeverbraucher 2 und Wärmeerzeuger 4 unterteilt. Hierbei beziehen die Wärmeverbraucher 2 eine be stimmte Wärmemenge innerhalb eines Zeitbereiches. Die Wärme erzeuger 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 Energiesys teme 2, 4 eine Überschusswärme, beispielsweise Abwärme, in das Wärmenetz 10 eingespeist werden.
Die Energiesysteme 2, 4 können ergänzend mit weiteren Ener gieverteilernetzen, insbesondere Stromnetzen gekoppelt sein. Weiterhin sind die Energiesysteme 2, 4, die Steuerungsvor richtung 42 sowie die Wärmeerzeugungsanlage 14 beziehungswei se die Wärmenetzsteuerungseinheit zum Austausch von Daten ge koppelt, beispielsweise internetbasiert. Dieser mögliche Aus tausch von Daten/Informationen ist symbolisch durch die ge strichelten Linien mit dem Bezugszeichen 41 gekennzeichnet.
Die Steuerungsvorrichtung 42 ist zur Steuerung der Wärmeaus tausche 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 be ziehungsweise mittels eines Optimierungsverfahrens. Mit ande ren Worten bilden die technischen Steuerungsgrößen, wie bei spielsweise auszutauschende Wärmemengen/Wärmeleistungen und/oder Temperaturbereiche, die Variablen einer der Optimie rung zugrundeliegenden Zielfunktion aus. Für die Optimierung sind jedoch grundsätzlich Informationen, insbesondere techni sche Kenndaten beziehungsweise technische Größen, aus den Energiesystemen 2, 4 erforderlich. Weiterhin sind technische Daten bezüglich des Wärmenetzes 10, insbesondere Netzrandbe dingungen, vorteilhaft. Es ist daher vorgesehen, dass die Energiesysteme 2, 4 sowie die Wärmenetzsteuerungseinheit 14 den genannten Informationen entsprechende Daten an die Steue rungsvorrichtung 42 übermitteln.
Die Energiesysteme 2, 4 übermitteln die genannten Daten be vorzugt 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 Ange bot eine maximale Wärmemenge, einen Anfangszeitpunkt für den Wärmeaustausch, einen Endzeitpunkt für den Wärmeaustausch, eine maximale Wärmeleistung, die Energieform, vorliegend Wär me, und/oder einen Temperaturbereich sowie weiterhin bevor zugt ein maximales Entgelt für einen Wärmeverbrauch und ein minimales Entgelt für eine Wärmebereitstellung. Die genannten Größen/Daten des Angebotes können zeitlich variieren, insbe sondere als diskrete Zeitreihe vorliegen. In diesem Sinne bildet die Steuerungsvorrichtung 42 einen lokalen Wärmemarkt aus, da sie einen lokalen Wärmeaustausch zwischen den Ener giesystemen 2, 4 ermöglicht.
Der Wärmenetzbetreiber beziehungsweise die Wärmenetzsteue rungseinheit 14 übermittelt bevorzugt eine Liste von Teilwär menetzen des Wärmenetzes 10, eine Verknüpfung der Teilwärme netze, einen Verlustkoeffizienten beziehungsweise eine Ver lustrate jedes Teilwärmenetzes und/oder des gesamten Wärme netzes 10, eine maximale Leistungskapazität der Teilwärmenet ze 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 be vorzugt 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 Zielfunkti on und gegebenenfalls mehreren Nebenbedingungen ein Optimie rungsproblem aufgestellt beziehungsweise dieses wird durch die Steuerungsvorrichtung 42 implementiert.
Beispielsweise ist die Zielfunktion symbolisch durch Z = [wcosts Costs + W Q2 C02 + ···] festgelegt beziehungsweise imple mentiert, 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 Gesamt kohlenstoffdioxidemissionen minimiert.
Die Minimierung/Optimierung erfolgt unter mehreren Nebenbe dingungen, 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 bezie hungsweise einen Leistungsabschnitt des Wärmenetzes 10 kann P0 ut = Pjn(l — tf) angenommen werden, wobei a die übermittelte Verlustrate und P stets eine Wärmeleistung innerhalb des Zeitbereiches, die zur entsprechenden Wärmemenge korrespon diert, bezeichnet. Weiterhin folgt aus den Netzrandbedingun gen Pn < Pmax, wobei Pmax die maximale Leitungskapazität be zeichnet.
Aus den übermittelten Angeboten folgt, dass für jedes Angebot die Nebenbedingungen Q < Qmax sowie P < PSubmitted,max erfüllt sein muss, damit die technische maximale Wärmemenge Qmax bezie hungsweise die technisch maximale Wärmeleistung Psubmitted,max eingehalten werden kann. Q bezeichnet die Wärmemenge, die für den Austausch des Energiesystems vorgesehen ist bezie hungsweise 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
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für jeden Zeitschritt n. Weiter hin wird als technische Nebenbedingung SOCencj = SOCstart für den Zeitbereich gefordert, sodass sich das Wärmenetz 10 bezüglich Wärmeeinspeisung und Wärmeausspeisung durch die Energiesyste me 2, 4 neutral, das heißt wie ein Wärmespeicher, verhält.
Weiterhin werden übermittelte Toleranzbereiche, insbesondere bezüglich Temperaturen, als Nebenbedingungen bei der Optimie rung berücksichtigt. Die Temperaturbereiche können ebenfalls für die numerische Implementierung der Optimierung diskreti- siert 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 Zeitbe reiches. Wird ein Entgelt bei der Optimierung verwendet, so kann das Ergebnis der Optimierung ebenfalls als Handelsergeb nis bezeichnet werden. Weiterhin kann das Ergebnis der Opti mierung als Steuerungsgrößen Zeitbereiche, wann die Wärmemen gen/Wärmeleistung bezogen beziehungsweise bereitgestellt wer den soll, sowie Temperaturbereiche, insbesondere Vorlauftem peraturen und/oder Rücklauftemperaturen sowie Emissionswerte, beispielswiese C02-Footprints, umfassen. Das Ergebnis der Op timierung beziehungsweise die Steuerungsgrößen, werden dann an die am Wärmeaustausch teilnehmenden Energiesysteme 2, 4 direkt und/oder über die Wärmenetzsteuerungseinheit 14 über mittelt. Weiterhin werden diese an die Wärmenetzsteuerungs einheit 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 Optimie rung (Steuerungsgrößen) einen Betriebsfahrplan ableiten, bei spielsweise mittels eines Energiemanagementsystems, und so ihre Wärmeverbrauchsanlagen und/oder Wärmebereitstellungsan lagen 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 lo kale Wärmemarkt kann mit weiteren lokalen Energiemärkten für Wärme und/oder elektrische Energie und/oder weiteren Energie formen gekoppelt sein und im Austausch stehen. Weiterhin kön nen gekoppelt mehrere Energieformen und deren Austausch zwi schen den Energiesystemen 2, 4 durch die Steuerungsvorrich tung 42 durch eine Optimierung gesteuert werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausfüh rungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele ein geschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hie raus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste
2 Energiesystem - Wärmeverbraucher
4 Energiesystem - Wärmeerzeuger 10 Wärmenetz
11 Vorlauf
12 Rücklauf
14 Wärmenetzsteuerungseinheit
41 Datenverbindung 42 Steuerungsplattform

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung von Wärmeaustauschen zwischen meh reren Energiesystemen (2, 4) mittels einer bezüglich der Energiesysteme (2, 4) zentralen Steuerungsvorrichtung (42), wobei die Energiesysteme (2, 4) an einem für die Wärmeaustau sche vorgesehenen Wärmenetz (10) angebunden sind, wobei mit tels der Steuerungsvorrichtung (42) wenigstens innerhalb ei nes Zeitbereiches die Wärmeaustausche basierend auf einer ma thematischen Optimierung gesteuert und hierzu vorgesehene Steuerungsgrößen, insbesondere energiesystemspezifische Ener giemengen und/oder Temperaturbereiche, basierend auf techni schen Größen der Energiesysteme und/oder technischen Netz randbedingungen des Wärmenetzes (10) ermittelt werden, ge kennzeichnet dadurch, dass bei der Optimierung mittels der Steuerungsvorrichtung (42) die Steuerungsgrößen unter Berück sichtigung einer thermischen Speicherkapazität des Wärmenet zes (10) ermittelt werden.
2. 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.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die thermische Speicherkapazität durch eine Wärmenetz steuerungseinheit (14) des Wärmenetzes (10) an die Steue rungsvorrichtung (42) übermittelt wird.
4. 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.
5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeich net 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 Ver lustkoeffizient und/oder eine maximale Leistungskapazität des Wärmenetzes (10) umfassen.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass die Netzrandbedingungen des Wärme netzes (10) bei der Optimierung innerhalb einer oder mehreren Nebenbedingungen verwendet werden.
7. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass die energiesystemspezifischen technischen Größen weiterhin eine jeweilige innerhalb des Zeitbereiches maximale verbrauchbare, speicherbare und/oder bereitstellbare Wärmemenge, eine jeweilige maximale Wärme leistung und/oder eine jeweilige Vorlauftemperatur und/oder eine jeweilige Rücklauftemperatur umfassen.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ge kennzeichnet dadurch, dass eine oder mehrere der energiesys temspezifischen technischen Größen mit einem zugehörigen To leranzbereich von dem jeweiligen Energiesystem (2, 4) an die Steuerungsvorrichtung (42) übermittelt werden.
9. Verfahren gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Toleranzbereiche bei der Optimierung innerhalb einer oder mehreren Nebenbedingungen verwendet werden.
10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 9, gekennzeich net dadurch, dass die thermische Speicherkapazität bei der Optimierung innerhalb einer oder mehrerer Nebenbedingungen verwendet wird.
11. Verfahren gemäß Anspruch 10, gekennzeichnet dadurch, dass das Teilwärmenetz i eine minimale thermische Speicherkapazi tät SO mjn und eine maximale thermische Speicherkapazität SO max aufweist, wobei bei der Optimierung die Nebenbedingung SOCj mjn < SOCj < SO max verwendet wird.
12. Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet dadurch, dass eine der Nebenbedingungen der Optimierung eine zeitliche Entwicklung der thermischen Speicherkapazität in nerhalb des Zeitbereiches modelliert, wobei hierzu Entladun gen Picharge und Beladungen Pt discharge des Teilwärmenetzes i in nerhalb des Zeitbereiches berücksichtigt werden.
13. 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 SOCin+1 = SOCi n + Pi Charge - P;,discharge verwendet wird.
14. Steuerungsvorrichtung (42) zur Steuerung von Wärmeaustau schen zwischen mehreren Energiesystemen (2, 4), die an einem für die Wärmeaustausche vorgesehenes Wärmenetz (10) angebun den sind, wobei die Steuerungsvorrichtung (42) dazu ausgebil det ist, wenigstens innerhalb eines Zeitbereiches die Wärme austausche basierend auf einer mathematischen Optimierung zu steuern und hierzu vorgesehene Steuerungsgrößen, insbesondere energiesystemspezifische Energiemengen und/oder Temperaturbe reiche, basierend auf technischen Größen der Energiesysteme (2, 4) und/oder des Wärmenetzes (10) zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung (42) dazu aus gebildet ist, bei der Optimierung die Steuerungsgrößen unter Berücksichtigung einer thermischen Speicherkapazität des Wär menetzes (10) zu ermitteln.
15. Steuerungsvorrichtung (42) gemäß Anspruch 14, dadurch ge kennzeichnet, dass diese dazu ausgebildet ist, die thermische Speicherkapazität des Wärmenetzes (10) von einer Wärmenetz steuerungseinheit (14) des Wärmenetzes in Form von Daten zu empfangen.
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