Optimierte Betriebssteuerung eines elektro-thermischen Mikronetzes mit variabler Vorlauftemperatur

Core Concepts

Durch die Nutzung variabler Vorlauftemperaturen und der Berücksichtigung der inhärenten thermischen Speicherkapazitäten kann die Betriebseffizienz und Wirtschaftlichkeit eines elektro-thermischen Mikronetzes optimiert werden.

Abstract

Der Artikel präsentiert einen Ansatz zur optimierten Betriebssteuerung eines elektro-thermischen Mikronetzes (ETMG) unter Verwendung eines modellprädiktiven Regelungskonzepts (MPC).
Im ersten Schritt wird ein detailliertes diskretes Zustandsraummodell des ETMG entwickelt, das sowohl die elektrische als auch die thermische Ebene abbildet. Dabei wird insbesondere die Dynamik des Wärmenetzes unter Verwendung von 1D-Euler-Gleichungen modelliert, um die inhärenten Speicherkapazitäten des Wärmenetzes zu berücksichtigen.
Basierend auf diesem Modell wird dann ein MPC-Ansatz formuliert, der neben wirtschaftlichen Zielen auch Effizienzaspekte bei der Betriebsoptimierung berücksichtigt. Dazu werden verschiedene Kostenterme in der Zielfunktion definiert, die einerseits Abweichungen von gewünschten Vorlauftemperaturen, andererseits den Energieverbrauch der regelbaren Komponenten wie Wärmepumpen und Energiespeicher bestrafen.
In einer Fallstudie wird gezeigt, dass der vorgeschlagene MPC-Ansatz im Vergleich zu einem konventionellen temperaturbasierten Betrieb des Wärmenetzes die Betriebskosten um 18,84% senken und gleichzeitig den Leistungsbedarf aus dem Hauptnetz, den Spitzeneinsatz des Energiespeichers und der Wärmepumpe reduzieren kann. Dies wird durch die Nutzung der variablen Vorlauftemperaturen und der Speicherkapazitäten des Wärmenetzes erreicht.

Stats

Die Leistungsaufnahme aus dem Hauptnetz wird um 1,23% reduziert.
Der Spitzeneinsatz des Energiespeichers wird um 21,90% reduziert.
Der Spitzeneinsatz der Wärmepumpe wird um 16,10% reduziert.
Die genutzte Speicherkapazität des Energiespeichers wird um 16,65% reduziert.
Die Varianz des Wärmepumpeneinsatzes wird um 32,16% reduziert.

Quotes

"Durch die Nutzung variabler Vorlauftemperaturen und der Berücksichtigung der inhärenten thermischen Speicherkapazitäten kann die Betriebseffizienz und Wirtschaftlichkeit eines elektro-thermischen Mikronetzes optimiert werden."
"Der vorgeschlagene MPC-Ansatz im Vergleich zu einem konventionellen temperaturbasierten Betrieb des Wärmenetzes die Betriebskosten um 18,84% senken und gleichzeitig den Leistungsbedarf aus dem Hauptnetz, den Spitzeneinsatz des Energiespeichers und der Wärmepumpe reduzieren."

Key Insights Distilled From

A Predictive Operation Controller for an Electro-Thermal Microgrid Utilizing Variable Flow Temperatures

by Max Rose,Chr... at arxiv.org 04-03-2024

https://arxiv.org/pdf/2212.07078.pdf

Deeper Inquiries

Wie könnte der vorgestellte Ansatz erweitert werden, um Unsicherheiten in der Lastprognose und Erzeugung zu berücksichtigen?

Um Unsicherheiten in der Lastprognose und Erzeugung zu berücksichtigen, könnte der vorgestellte Ansatz durch die Integration von probabilistischen Modellen und Methoden zur robusten Optimierung erweitert werden. Statt perfekter Vorhersagen könnten Wahrscheinlichkeitsverteilungen für die Last- und Erzeugungsprofile verwendet werden. Dies würde es ermöglichen, Unsicherheiten in den Prognosen zu quantifizieren und in die Entscheidungsfindung einzubeziehen. Durch die Anwendung von robusten Optimierungstechniken könnte das System so gesteuert werden, dass es auch unter Unsicherheiten zuverlässig und effizient betrieben wird.

Welche zusätzlichen Flexibilitätsoptionen könnten neben den Speicherkapazitäten des Wärmenetzes und des Energiespeichers noch in die Betriebsoptimierung einbezogen werden?

Neben den Speicherkapazitäten des Wärmenetzes und des Energiespeichers könnten weitere Flexibilitätsoptionen in die Betriebsoptimierung einbezogen werden. Ein wichtiger Aspekt wäre die Einbindung von Lastverschiebungsstrategien, bei denen flexible Lasten oder Speicher gezielt gesteuert werden, um den Energieverbrauch zu optimieren. Darüber hinaus könnten auch die Einbindung von Elektrofahrzeugen als mobile Energiespeicher sowie die Berücksichtigung von Preissignalen und Netzauslastung in Echtzeit weitere Flexibilitätsoptionen darstellen. Die Integration von Demand-Response-Programmen und die Nutzung von virtuellen Kraftwerken zur Aggregation von dezentralen Ressourcen könnten ebenfalls die Betriebsoptimierung verbessern.

Wie lässt sich der Ansatz auf größere, vernetzte Energiesysteme skalieren und welche Herausforderungen ergeben sich dabei?

Um den Ansatz auf größere, vernetzte Energiesysteme zu skalieren, ist eine ganzheitliche Betrachtung und Integration verschiedener Energieflüsse und Sektoren erforderlich. Dies könnte durch die Entwicklung von hierarchischen Steuerungsstrategien und die Implementierung von Kommunikations- und Informationstechnologien erreicht werden. Die Herausforderungen bei der Skalierung liegen in der Komplexität der Systeme, der Integration verschiedener Energiequellen und Verbraucher sowie der Koordination von dezentralen Einheiten. Zudem müssen Datenschutz- und Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden, um eine zuverlässige und sichere Steuerung zu gewährleisten. Die Entwicklung von standardisierten Schnittstellen und Protokollen sowie die Berücksichtigung von regulatorischen Anforderungen sind ebenfalls entscheidend für eine erfolgreiche Skalierung auf größere Energiesysteme.