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Die Nutzung von überschüssiger Wärme für die Fernwärme.
Das Schlüsselelement des Überschusswärmemoduls ist das verwendete Quell-Senken-Modell. Es baut ein Übertragungsnetz mit minimaler Länge auf und berechnet den Durchfluss für jede Stunde des Jahres auf der Grundlage von Heizlastprofilen für Privathaushalte mit Nuts2-Auflösung und Branchenlastprofilen mit Nuts0-Auflösung. Basierend auf den über das Jahr gemittelten Spitzenströmen können die Kosten für jede Übertragungsleitung und jeden Wärmetauscher auf der Quell- und Senkenseite berechnet werden.
Anhand der Nuts0-ID und des Industriesektors wird jeder Quelle ein jährlich stündlich aufgelöstes Lastprofil zugeordnet.
Basierend auf dem Modul zur Berechnung des Fernwärmepotentials werden in den zusammenhängenden Bereichen äquidistante Eintrittspunkte erstellt. Abhängig von der Nuts2 ID der Einstiegspunkte wird ein Lastprofil vergeben.
Innerhalb eines festgelegten Radius wird geprüft, welche Quellen sich in Reichweite befinden, welche Senken sich in Reichweite befinden und welche Senken sich in Reichweite für Quellen befinden. Dies kann durch ein Diagramm dargestellt werden, bei dem Quellen und Senken die Scheitelpunkte bilden und die Scheitelpunkte im Bereich durch eine Kante verbunden sind.
Ein minimaler Spannbaum wird mit dem Abstand der Kanten als Gewichte berechnet. Dies führt dazu, dass ein Diagramm seine Konnektivität beibehält, während die Gesamtlänge der Kanten minimal ist. Beachten Sie, dass die Einstiegspunkte kohärenter Bereiche intern kostenlos verbunden sind, da sie ein eigenes Vertriebsnetz bilden.
Der maximale Durchfluss von den Quellen zu den Senken wird für jede Stunde des Jahres berechnet.
Der über 3 Stunden gemittelte Spitzenvolumenstrom des Jahres bestimmt die erforderliche Kapazität für die Übertragungsleitungen und Wärmetauscher. Die Kosten der Übertragungsleitungen hängen von der Länge und Kapazität ab, während die Kosten der Wärmetauscher nur von der Kapazität beeinflusst werden. Auf der Quellenseite wird ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher mit integrierter Pumpe für die Übertragungsleitung und auf der Senkenseite ein Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher angenommen.
Da die Kosten und der Fluss jeder Übertragungsleitung bekannt sind, können die Leitungen mit dem höchsten Verhältnis von Kosten zu Fluss entfernt und der Fluss neu berechnet werden, bis die gewünschten Kosten pro Fluss erreicht sind.
Für die Berechnung des Abstands zwischen zwei Punkten wird eine kleine Winkelnäherung der Loxodromlänge verwendet. Während es auch eine genaue Implementierung der Orthodromdistanz gibt, hat die erhöhte Genauigkeit aufgrund der geringen Entfernungen, die meist unter 20 km liegen, und der Unsicherheit der tatsächlichen Übertragungsleitungslänge aufgrund vieler Faktoren wie der Topologie keinen wirklichen Vorteil. Befinden sich zwei Punkte im Radiusbereich, wird dies in einer Nachbarschaftsliste gespeichert. Die Erstellung solcher Adjazenzlisten erfolgt zwischen Quellen und Quellen, Senken und Senken sowie Quellen und Senken. Der Grund für die Trennung liegt in der Flexibilität, bestimmte Temperaturanforderungen für Quellen oder Senken hinzuzufügen.
Basierend auf der igraph-Bibliothek wird eine NetworkGraph-Klasse mit allen Funktionen implementiert, die für das Berechnungsmodul benötigt werden. Obwohl igraph schlecht dokumentiert ist, bietet es eine viel bessere Leistung als reine Python-Module wie NetworkX und eine breitere Plattformunterstützung als Linux im Gegensatz zu Graph-Tool. Die NetworkGraph-Klasse beschreibt nur ein Netzwerk auf der Oberfläche, enthält jedoch drei verschiedene Diagramme. Erstens die Grafik, die das Netzwerk beschreibt, wie es durch die drei Adjazenzlisten definiert ist. Zweitens das Korrespondenzdiagramm, das Senken desselben zusammenhängenden Bereichs intern verbindet, und das letzte Diagramm für den maximalen Durchfluss, das für die Berechnung des maximalen Durchflusses verwendet wird.
Enthält nur die realen Quellen und Senken als Eckpunkte.
Jede Senke benötigt eine Korrespondenz-ID, die angibt, ob sie wie in zusammenhängenden Bereichen intern durch ein bereits vorhandenes Netzwerk verbunden ist. Senken mit derselben Korrespondenz-ID werden mit Kanten mit einer Gewichtung von Null mit einem neuen Scheitelpunkt verbunden. Dies ist entscheidend für die Berechnung eines minimalen Spannbaums und für den Grund, warum der Korrespondenzgraph dafür verwendet wird. Diese Funktion ist auch für Quellen implementiert, wird aber nicht verwendet.
Da igraph in seiner Maximalflussfunktion nicht mehrere Quellen und Senken unterstützt, wird ein Hilfsgraph benötigt. Es führt einen unendlichen Quellen- und Senkenscheitelpunkt ein. Jede reale Quelle ist mit der unendlichen Quelle verbunden, und jede reale Senke ist durch eine Kante mit der unendlichen Senke verbunden. Beachten Sie, dass, wenn eine Senke mit einem Korrespondenzscheitelpunkt verbunden ist, dieser Scheitelpunkt anstelle der Senke selbst verbunden wird.
Basierend auf dem Korrespondenzgraphen wird der minimale Spannbaum berechnet. Die Kanten, die die zusammenhängenden Senken verbinden, haben immer das Gewicht 0, sodass sie immer Teil des minimalen Spannbaums bleiben.
Der Fluss durch die Kanten, die die realen Quellen oder Senken mit der unendlichen Quelle oder Senke verbinden, wird auf die reale Kapazität jeder Quelle oder Senke begrenzt. Aus numerischen Gründen werden die Kapazitäten so normalisiert, dass die größte Kapazität 1 beträgt. Der Fluss durch die im Korrespondenzgraphen enthaltene Teilmenge von Kanten ist auf 1000 begrenzt, was für alle intensiven und zweckmäßigen Zwecke einen uneingeschränkten Fluss bieten sollte. Dann wird der maximale Durchfluss von der unendlichen Quelle zur unendlichen Senke berechnet und der Durchfluss auf seine ursprüngliche Größe skaliert. Da kohärente Senken nicht direkt mit dem Scheitelpunkt der unendlichen Senke verbunden sind, sondern durch den Korrespondenzscheitelpunkt auf die Summe aller kohärenten Senken beschränkt sind.
Die Implementierung der igraph-Maximum-Flow-Funktion verwendet den Push-Relabel-Algorithmus. Diese Art von Algorithmus ist nicht kostensensitiv und findet möglicherweise nicht immer den kürzesten Weg, den Fluss zu leiten. Ein kostensensitiver Algorithmus ist in igraph nicht verfügbar, und es ist wahrscheinlich, dass die Leistung niedrig ist, um einen stundenbasierten Fluss über das ganze Jahr hinweg auflösen zu können. Aufgrund der vorherigen Reduzierung auf ein Minimum sind die Fälle, in denen eine nicht ideale Lösung gewählt wird, sehr begrenzt und unwahrscheinlich. Der Push-Relabel-Algorithmus neigt auch dazu, den Fluss durch die geringste Anzahl von Kanten zu leiten. Die igraph-Implementierung scheint in der Reihenfolge der Zuordnung des Flusses deterministisch zu sein, wenn die Graphen mindestens Automorphismen sind, was für die stundenbasierte Flussberechnung wichtig ist, da jede künstlich eingeführte Flussoszillation zwischen Kanten unerwünscht ist.
Die Wärmequellen stammen aus der Industriedatenbank. Auf der Grundlage der überschüssigen Wärme, der Nuts0 ID und des Industriesektors wird für jeden Standort ein Lastprofil erstellt, das jede Stunde des Jahres abdeckt. Das benutzerdefinierte Hinzufügen von Sites ist geplant.
Die Kühlkörper basieren auf zusammenhängenden Bereichen mit bekanntem Wärmebedarf. Die zusammenhängenden Bereiche bilden eine Maske für ein Raster, auf dem äquidistante Punkte als Eintrittspunkte platziert sind. Abhängig von der gewählten Nuts2 ID wird den Spülen ein Wohnheizprofil zugeordnet. Das benutzerdefinierte Hinzufügen von Einstiegspunkten und Senken ist geplant.
Die genannten Lastprofile bestehen aus 8760 Punkten, die die Last für jede Stunde der 365 Tage darstellen. Weitere Informationen zu den Lastprofilen finden Sie hier.
Da Fernwärmesysteme eine große Wärmekapazität haben, bedeutet ein Spitzenwert im Durchfluss nicht, dass die Übertragungsleitungen diese kurze Wärmespitze sofort liefern müssen. Daher werden die erforderlichen Kapazitäten der Übertragungsleitungen und Wärmetauscher durch die gemittelte Spitzenlast bestimmt. Insbesondere wird die Numpy-Faltungsfunktion verwendet, um den Fluss über die letzten drei Stunden zu mitteln, indem mit einer konstanten Funktion gefaltet wird. Abhängig von diesem Wert wird eine Übertragungsleitung aus der folgenden Tabelle ausgewählt.
Spezifische Kosten der verwendeten Übertragungsleitungen
| Leistung in MW | Kosten in € / m | Temperatur in ° C | | ------------- |: -------------: | -----: | | 0,2 | 195 | <150 | | 0,3 | 206 | <150 | | 0,6 | 220 | <150 | | 1.2 | 240 | <150 | | 1,9 | 261 | <150 | | 3.6 | 288 | <150 | | 6.1 | 323 | <150 | | 9,8 | 357 | <150 | | 20 | 426 | <150 | | 45 | 564 | <150 | | 75 | 701 | <150 | | 125 | 839 | <150 | | 190 | 976 | <150 | | > 190 | 976 | <150 |
Die Kosten des Wärmetauschers auf der Quellenseite, die als Luft zu Flüssigkeit angenommen werden, werden mit berechnet
C HSource (P) = P peak * 15.000 € / MW.
Die Kosten des Flüssig-Flüssig-Wärmetauschers auf der Senkenseite werden mit ermittelt
C HSink (P) = P Peak * 265.000 € / MW, wenn P Peak <1 MW oder
C HSink (P) = P peak * 100.000 € / MW sonst
Die Kosten der Pumpe folgen
C Pumpe (P) = P- Spitze * 240.000 € / MW, wenn P- Spitze <1 MW oder
C Pumpe (P) = P Spitze * 90.000 € / MW sonst.
Mit einem Kosten-zu-Fluss-Schwellenwert für Übertragungsleitungen können sie entfernt werden, wenn sie überschritten werden, um das Verhältnis von Strom zu Kosten zu verbessern. Nach dem Entfernen von Kanten muss der Fluss neu berechnet werden, da die Kontinuität des Flusses im Diagramm nicht mehr gewährleistet ist. Das Kosten-zu-Fluss-Verhältnis kann sich jetzt auch für andere Kanten erhöhen, sodass dieser Vorgang wiederholt wird, bis sich die Summe aller Flüsse nicht mehr ändert.
Zunächst werden die Wärmequellen und -senken mit ihren Lastprofilen belastet. Dann wird die Suche nach festen Radien durchgeführt und das Netzwerk initialisiert. Danach wird das Netzwerk auf das Minimum reduziert und der maximale Fluss für jede Stunde des Jahres berechnet. Basierend auf dem Durchfluss werden die Kosten für jeden Wärmetauscher, jede Pumpe und jede Übertragungsleitung berechnet. Wenn ein Schwellenwert-Kosten-zu-Fluss-Verhältnis definiert ist, wird die Übertragungsleitungsentfernungsprozedur ausgeführt. Am Ende werden die Gesamtkosten und der Gesamtfluss des Netzwerks und das Layout des Netzwerks zurückgegeben.
Probelauf in Aalborg.
Probelauf in Aalborg. Die blauen Bereiche repräsentieren die Fernwärme. Der orangefarbene Punkt kennzeichnet die Wärmequelle und der gelbe Punkt kennzeichnet die Einspeisepunkte für das Fernwärmenetz. Die Gesamtkosten betragen 13,7 Mio. € und der jährliche Gesamtdurchsatz beträgt 185 GWh, was bei einer Investitionsdauer von 10 Jahren 0,74 ct / kWh ergibt.
Diese Seite wurde geschrieben von Ali Aydemir * und David Schilling *
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Wir möchten dem Horizon 2020 Hotmaps-Projekt (Finanzhilfevereinbarung Nr. 723677), das die Mittel für die Durchführung dieser Untersuchung zur Verfügung stellte, unsere tiefste Anerkennung aussprechen .
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