Design-Optimierung von Multi-Energie-Systemen

Die Gestaltung nachhaltiger, sektorübergreifender Energieversorgungssysteme ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Ein weitverbreiteter und bewährter Planungsansatz ist die mathematische Optimierung und insbesondere das Mixed-Integer Linear Programming (MILP). Obwohl in der Literatur zahlreiche MILP-Modelle vorgestellt wurden, gibt es keine Konvention, welcher Detaillierungsgrad erforderlich ist, um zuverlässige Energiesystemdesigns zu erhalten. In diesem Beitrag wird ein systematischer Leistungsvergleich von 24 MILP-Modellen zum Entwurf von Multi-Energie-Systemen durchgeführt. Die Modelle umfassen verschiedene Kombinationen von fünf weit verbreiteten Modellmerkmalen: stückweise lineare Investitionskurven, unterschiedliche Modellauflösungen, minimale Teillastbeschränkungen, Teillastwirkungsgrade und Anfahrkosten. Die Betriebsleistungen der optimalen Systemdesigns werden unter Verwendung einer „Unit-Commitment-Optimierung“ mit hohem Detaillierungsgrad verglichen. In einer Fernwärme-Fallstudie unterscheiden sich die jährlichen analysierten Gesamtkosten der „Unit-Commitment-Optimierung“ erheblich von 391.000 bis 481.000 Euro und die Rechenzeiten der Auslegungsoptimierungen reichen von 10 Sekunden bis über 10 Stunden. Modelle, die Teillastwirkungsgrade berücksichtigen, führen zu den niedrigsten Systemkosten, aber den höchsten Rechenzeiten. Darüber hinaus werden einfache Designheuristiken identifiziert, die in Kombination mit schnell auflösenden linearen Modellen, zu Energiesystemen mit geringen jährlichen analysierten Gesamtkosten (410.000 Euro, 5 % Kostensteigerung) führen.