Modellierung und Simulation von weit verzweigten, vermaschten Netzen für thermische Energie und Gas

Abstract

Viele Fragestellungen, die sich in Bezug auf die Entwicklung von urbanen Räumen ergeben, erfordern den Einsatz verschiedener Fachdisziplinen. Daher beschäftigt sich das Projekt URBEM (Urbanes Energie- und Mobilitätssystem) mit der ganzheitlichen Betrachtung von möglichen Veränderungen urbaner Gebiete und deren Auswirkungen. URBEM wurde als Doktoratskolleg an der TU Wien in Kooperation mit den Wiener Stadtwerken konzipiert und eingerichtet. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer interaktiven Umgebung, um Szenarien zu einer -nachhaltig versorgungssicheren, leistbaren und lebenswerten Stadt- am Beispiel der Stadt Wien zu erforschen. Um dieses Ziel erreichen zu können, erfordert es die Zusammenarbeit und Interaktion von vielen verschiedenen wissenschaftlichen Fachbereichen. Als Basis für die Untersuchungen dienen drei entwickelte URBEM-Szenarien, die mögliche zukünftige Pfade von Veränderungen abbilden. Die Analyse der Auswirkungen auf die thermische Energieversorgung durch politische, gesellschaftliche, wirtschaftliche und technologische Veränderungen stellt einen wesentlichen Teil der Untersuchungen dar. Infolgedessen befasst sich die vorliegende Arbeit mit dem Themenfeld der thermischen Netze und der Gasnetze urbaner Gebiete. Um die Fragestellungen bezüglich dieser Versorgungsnetze in einem interdisziplinären Kontext adäquat beantworten zu können, erfolgt eine eigenständige Entwicklung von Berechnungsmethoden für die Ermittlung von Betriebskenngrößen großer vermaschter Netze. Bei der Betrachtung eines Fernwärmenetzes steht die Abbildung des thermohydraulischen Verhaltens bei veränderten Randbedingungen im Vordergrund. Deshalb erfolgt die Umsetzung einer quasistationären hydraulischen Berechnung in Kombination mit einer transienten thermischen Berechnung. Die Anwendung dieser Methodik hat den Vorteil, dass das thermische Verhalten eines Fernwärmenetzes sehr detailliert abgebildet werden kann. Die Gasnetze sollen hinsichtlich hydraulischer Veränderungen, unter der vereinfachten Berücksichtigung der Kompressibilität von Gasen, untersucht werden. Unter Anwendung der weiterentwickelten Berechnungsmethoden erfolgt zunächst die Untersuchung der Auswirkungen auf das primäre Fernwärmenetz und das Niederdruck-Gasnetz von Wien durch die Veränderungen, die sich aufgrund der definierten Szenarien ergeben. In weiterer Folge werden die Einflüsse einer dezentralen Einspeisung und der Einsatz von Speichern im Fernwärmenetz analysiert. Eine andere Fragestellung bezieht sich auf die Anbindungsmöglichkeiten von Stadterweiterungsgebieten. Dazu erfolgen Simulationen unterschiedlicher Variationen hinsichtlich des Anschlusses an das Gasnetz und das Fernwärmenetz, unter Einbeziehung des Themenfeldes der elektrischen Netze. Die Gegenüberstellung zwischen der weiterentwickelten hydraulischen Berechnungsmethode und der kommerziellen Software PSS R SINCAL anhand eines Testnetzes, zeigt die numerischen Vorteile der Eigenentwicklung in Hinblick auf die Konvergenzgeschwindigkeit.

Many questions that arise with regard to the development of urban areas, require the use of different disciplines. Therefore, the project URBEM (Urban Energy and Mobility System) deals with the holistic view of possible changes in urban areas and their effects. URBEM was founded as doctoral programme at the TU Wien in cooperation with the Wiener Stadtwerken. The aim of the project is the development of an interactive environment to analyse scenarios to a sustainable, secure supply, affordable and liveable city- on the Example of the city of Vienna. In order to achieve this goal, it requires the collaboration and interaction of many different scientific fields. The basis for the investigations are three developed URBEM scenarios, which describe the possible future paths of change. The analysis of the effects on the thermal energy supply by political, social, economic and technological changes is an important part of the investigations. As a result, the present thesis deals with the subject of the thermal networks and the gas networks of urban areas. To be able to give answers in an interdisciplinary context, a separate development of calculation methods for the determination of operating parameters of large meshed networks was realised. Considering a district heating network, the modeling of the thermohydraulic behavior in the case of modified boundary conditions is in focus. Therefore, a quasi-steady state hydraulic calculation is combined with a transient thermal calculation. The application of this methodology has the advantage, that the thermal behavior of a district heating network can be simulated very detailed. The analysis of the gas networks should be done with regard to the hydraulic changes considering the compressibility of gases. By using the developed calculation methods, the impact due to the changes, resulting from the defined scenarios, on the primary district heating network and the low-pressure gas network of Vienna should be analysed. Subsequently, the influences of a decentralized feed and the use of thermal storages in the district heating network are investigated. Another question relates to the connection possibilities of urban expansion areas. For this purpose, simulations are carried out by vary the connection to the gas network and the district heating network, taking into account the electrical networks. The comparison between the further developed hydraulic calculation method and the commercial software PSS SINCAL using a test network, shows the numeric advantages of self-development with regard to convergence speed.