Implementierung eines Investitions- und Optimierungsmodells zur kostenminimalen Jahresdeckung des Strom- und Wärmebedarfs innerhalb eines regionalen Energieparks : Beispielregion Wien

Abstract

Die Komplexität heutiger Energiesysteme erfordert in immer größerem Ausmaß den Einsatz rechnergestützter Verfahren, um die Vielzahl an Parametern berücksichtigen zu können, die einen Einfluss auf den Energiesektor ausüben. Der zunehmende Wunsch nach einem ressourcenschonenden Umgang mit fossilen Energieträgern und einem möglichst ökonomischem Einsatz von erneuerbaren Energien, trägt wesentlich zu dieser Komplexität bei. Neben vermehrtem Einsatz von alternativen Energieformen kann die Kopplung von Strom- und Wärmeproduktion durch die damit erreichbare Einsparung an Primärenergieträgern einen essentiellen Beitrag zu einer möglichst kostengünstigen und ökologisch verträglichen Energieversorgung leisten. In der vorliegenden Arbeit wird dazu ein Optimierungsmodell implementiert, das die Einsatz- und Investitionsplanung für eine Reihe von unterschiedlichen Technologien innerhalb eines regionalen Energieparks vornimmt. Hierzu werden auf Grundlage von Endenergieverbrauchsdaten Nachfrageprofile nach elektrischer und thermischer Energie im Stundenraster für ein gesamtes Jahr erstellt. Die Deckung der Nachfragen erfolgt durch unterschiedliche Kraft-Wärme-Koppelnde Technologien, Wärmepumpen, Gasthermen und elektrische Boiler im Zusammenspiel mit einem Speicher, sowie durch Windkraft-, Solarthermische- und Photovoltaische-Anlagen. Die Restriktionen und Nebenbedingungen aller Komponenten werden ausführlich beschrieben und nachvollziehbar aufgearbeitet. Nach erfolgter Implementierung wird das Modell mit den Daten der Beispielregion Wien kalibriert und auf die Besonderheiten dieser Region abgestimmt. Verschiedene Modelldurchläufe zeigen, dass unter den getroffenen Annahmen Kosteneinsparungen um mehr als 5% bei einer gleichzeitigen CO2-Reduktion von über 9% gegenüber einem Standarddurchlauf möglich sind. Dies wird hauptsächlich durch Ersatz von Gasthermen mit Wärmepumpen und Import des für die Wärmepumpen benötigten Stromes erzielt. Ein abschließender Restriktionsdurchlauf berechnet die kostengünstigste Möglichkeit zur Erreichung einer 20%igen CO2-Einsparung gegenüber dem Standarddurchlauf. Dabei stellt sich heraus, dass diese Einsparung ohne zusätzliche Gesamtkosten zu erreichen ist, wenn in die richtigen Technologien investiert wird. Das Modell sieht dazu einen weiteren Ausbau von erneuerbaren Energieträgern und Wärmepumpen vor, wobei der zusätzliche Strombedarf durch vermehrten Einsatz von KWK-Anlagen gedeckt wird.

The complexity of today's energy systems requires an ever greater extent of using computer-based methods to take the large number of parameters into account which influence the energy sector. The increasing desires for a resource-efficient use of fossil fuels and renewable energy sources add to the complexity of this issue. In addition to the increased use of alternative forms of energy, the coupling of electricity and heat production can make an essential contribution to achieve a cost-efficient and environmentally friendly energy supply. Facing those challenges an energy model is created in this thesis, which calculates the scheduling and investment in energy supply technologies for a regional energy park. For that purpose hourly electricity- and heat demand profiles based on final energy data are created for an entire year. To meet this demand, conversion technologies of renewable energy sources, heat pumps, electrical boilers, gas heating and hot water systems, a thermal energy storage and in particular combined heat and power production technologies are implemented. The restrictions and constraints of all of these components are described in detail and explained in a transparent manner. After the implementation of all technologies, the energy model is calibrated with data from the city of Vienna which was chosen as example region. The optimization result suggests that appropriate investments can lead to cost savings of more than 5% and a simultaneous CO2-reduction of about 9% compared to a standard model run. This is mainly achieved through the replacement of gas heating and hot water systems by heat pumps and import of the additionally needed electricity. A restriction run finally calculates the most cost-effective way to achieve a 20% CO2-reduction compared to the standard run. It turns out that these savings can be achieved at no extra cost and that even a low total cost reduction is possible when investing in the right technologies. To reach this, the model proposes a further expansion of renewable energy sources and further replacement of gas heating and hot water systems by heat pumps. According to this model run the additional electricity demand would be met by increased use of CHP plants instead of electricity import.