Masterarbeit Lukas Kivilip

 

Auslegungs- und Betriebsoptimierung von bidirektionalen kalten Nahwärmenetzen

Ganzheitlicher Ansatz Urheberrecht: EBC Ganzheitlicher Ansatz zur Optimierung von bidirektionalen kalten Nahwärmenetzen

Bidirektionale kalte Nahwärmenetze stellen ein neuartiges Konzept zur Versorgung von Quartieren mit Wärme und Kälte dar. Dabei agieren die angeschlossenen Gebäude gleichzeitig als Verbraucher und als Erzeuger und sind auf diese Weise in der Lage, ihre thermischen Bedarfe untereinander auszugleichen. Die verbleibende thermische Residuallast wird dem Netz über eine zentrale Versorgungseinheit zugeführt. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur optimalen Auslegung bidirektionaler kalter Nahwärmenetze mittels mathematischer Optimierungsverfahren vorgestellt.

Das Optimierungsmodell wird als lineares Programm (LP) formuliert, wobei als Zielfunktion die jährlichen Kosten für die Wärme- und Kälteversorgung herangezogen werden. Das Modell ermöglicht eine gleichzeitige Auslegung der Energiesysteme aller an das Netz angeschlossenen Gebäude sowie der zentralen Versorgungseinheit. Neben verschiedenen Technologien zur Wärme-, Kälte und Stromerzeugung werden zudem thermische und elektrische Energiespeicher berücksichtigt.

Das Optimierungsmodell wird in einer Fallstudie auf ein beispielhaftes Quartier mit 17 Gebäuden angewendet. Die Optimierungsergebnisse des bidirektionalen Wärmenetzes werden mit zwei alternativen Versorgungskonzepten verglichen: Bei diesen handelt es sich um eine individuelle, eigenständige Versorgung der Gebäude sowie um eine Versorgung mit konventionellen Wärme und Kältenetzen. Bei der Versorgung mit einem bidirektionalen Netz ergeben sich sowohl ökonomische als auch ökologische Vorteile. Dabei können gegenüber der individuellen Versorgung Kostenersparnisse von bis zu 42% sowie eine Reduzierung der CO2-Emissionen von bis zu 56% erzielt werden. Im direkten Vergleich zu den konventionellen Wärme- und Kältenetzen wird eine Kostensenkung um 14% sowie eine Abnahme der CO2-Emissionen um 34% erreicht.

In einer weiteren Fallstudie mit synthetischen Bedarfsprofilen wird der Einfluss der Bedarfsstruktur, insbesondere der Gleichzeitigkeit des Wärme- und Kältebedarfs, auf die ökonomischen, ökologischen und thermodynamischen Systemkennzahlen eines bidirektionalen kalten Nahwärmenetzes untersucht. Es zeigt sich eine starke Korrelation der Systemkennzahlen mit der Gleichzeitigkeit der thermischen Bedarfe.