Optimierung der Konfigurationen von Fernwärmeversorgungsanlagen unter Berücksichtigung der Einsatzpläne
Die Fernwärme spielt in Deutschland eine wichtige Rolle in der Wärmeversorgung und wird voraussichtlich, insbesondere im urbanen Raum, in Zukunft ihre Anteile noch weiter ausbauen können. Aktuell werden zur Fernwärmeerzeugung jedoch vielerorts noch alte, teilweise kohlegefeuerte Anlagen betrieben, die aus Klimaschutzgründen zeitnah ersetzt werden müssen. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Untersuchung von optimalen Konfigurationen für neue Fernwärmeversorgungsanlagen und nimmt dabei auch den Anlagenbetrieb explizit in den Blick. Die Untersuchung erfolgt dabei für einen exemplarischen Standort und unter Verwendung von mathematischen Optimierungsmodellen. Diese Modelle beinhalten alle relevanten technischen, ökonomischen und regulatorischen Randbedingungen und können mithilfe des eigens entwickelten Python-Pakets aristopy flexibel erstellt und parametriert werden. Zur Lösung der Modelle wird ein zweistufiger Ansatz basierend auf aggregierten Zeitreihen verwendet, welcher gegenüber der konventionellen einstufigen Lösung deutliche Rechenzeiteinsparungen bei vergleichbarer Lösungsqualität ermöglicht. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen, dass das mathematische Problem über ein flaches Optimum, mit vielen unterschiedlichen nahe-optimalen Lösungen verfügt. Die aktuell wirtschaftlichsten Konfigurationen setzen einen starken Fokus auf die Verwendung erdgasbefeuerter Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK) zur Fernwärmeerzeugung. Dieser Trend scheint auch in Zukunft Bestand zu haben, wie Szenariorechnungen für die Jahre 2025 und 2030 verdeutlichen. Die Impulse hierfür kommen aus dem geltenden regulatorischen Rahmen – vor allem dem Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetz. Bei der Berechnung von Fernwärmeemissionen liefert die Exergie-basierte Allokation plausiblere Ergebnisse und wirkungsvollere Anreize zur Emissionsreduktionen, als die aktuell vorgeschriebene Stromgutschrift-Methode. Konfigurationen mit reduzierten Emissionen gehen dabei in der Regel insbesondere mit höheren Investitionskosten einher, wodurch ein deutlicher Anstieg der Fernwärmepreise resultieren kann. In dieser Arbeit werden daher auch die Auswirkungen des neu eingeführten §7a des Kraft-Wärme-Kopplungs-Gesetzes untersucht, der einen ökonomischen Anreiz setzt zur Verringerung der verwendeten KWK-Leistung, bei gleichzeitiger Installation von innovativen erneuerbaren Wärmeerzeugungstechnologien, wie Wärmepumpen oder Solarthermie-Kollektoren.
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