Realitätsnahes Modell als Berechnungsbasis

Zunächst haben die Optimierungsexperten von eins und KISTERS gemeinsam aus dem bereits in BelVis ResOpt vorhandenen mathematischen Modell ein vereinfachtes Modell abgeleitet, das für die bestehenden Anlagen (Heizwerke, BHKW- und PtH-Anlagen) sowie für die beiden Wärmespeicher nur noch die für die Langfristplanung relevanten Details enthält. Anschließend wurde das Anlagenportfolio um alle möglichen zukünftigen Technologien, beispielsweise Holzheizkraftwerk, Holzheizwerk, Biogas (falls ausreichend verfügbar), Solarthermie, Gasturbinen, Abfallheizkraftwerk, Wärmepumpen mit unterschiedlichen Wärmequellen (u.a. Flusswasser, Kläranlagenablaufwasser, Abwärme, Luft) und Wärmespeicher, inklusive ihrer Verteilung auf acht Standorte, ergänzt. Neben dem Wärmenetz ist im Modell auch ein Kältenetz mit Kompressions- und Absorptionskältemaschinen sowie einem Kältespeicher eingebaut.

Damit ermöglicht das angelegte Modell den Verantwortlichen größtmögliche Flexibilität beim Durchspielen unterschiedlicher Zukunftsszenarien und die Beantwortung vieler „Was wäre, wenn …?“-Fragen. Sie können alle Kombinationen an Technologien und Standorten berechnen, auch für mögliche zukünftige Szenarien, z.B. „Was wäre, wenn wir in 2045 nur noch Wasserstoff als Brennstoff für die Motoren, Gasturbine, Heizwerke einsetzen würden?“

In das Modell gehen sämtliche variable Kosten und Erlöse für die in den Transformationspfaden vorgesehenen Technologien ein. Auch sich dynamisch ändernde externe Restriktionen (technisch, vertraglich, gesetzlich, ökonomisch) werden im Modell berücksichtigt, darunter u.a. Preise für Brennstoffe, CO₂, Strom, Gas, Wasserstoff, Holz sowie die Netzentgelte (abhängig von Betriebsstunden), Umgebungs- und Wassertemperaturen für Wärmepumpen, maximale Kapazität von Rohrverbindungen, Prognosen von Einspeisern (Solarthermie, industrielle Abwärme, Prognosen für Klärschlamm), Wärmebezugsverträge und vieles mehr. Beispielsweise sind bei den Flusswasserwärmepumpen strikte Bedingungen eingebaut, um die Ökologie des Flusses nicht zu beeinträchtigen: Das Flusswasser darf nicht um mehr als 3 °C abgekühlt werden, und wenn die Flusswassertemperatur bereits weniger als 3 °C beträgt, ist überhaupt keine Abkühlung erlaubt.

Beim Aufbau des Modells konnten sich die Verantwortlichen aus dem ResOpt-Baukasten bedienen, der standardmäßig viele fernwärmespezifische Makrokomponenten enthält, die man in der grafischen Oberfläche schnell und einfach zusammenfügen und konfigurieren kann, d.h. allen Komponenten ihre spezifischen Eigenschaften zuweisen. Über Verfügbarkeiten lassen sich die Anlagen im Modell an- und abschalten, so dass man mit ein- und demselben Modell unterschiedliche Anlagenkombinationen in den einzelnen Stützjahren berechnen und auch den zeitlich über die Jahre erfolgenden Zubau darstellen kann. Verschiedene Preis- und Wärmeszenarien lassen sich durch das Einspielen entsprechender Zeitreihendaten abbilden.

Szenarienrechnungen und detaillierte Ergebnisse

Basierend auf dem detaillierten Modell berechnen die Verantwortlichen von eins nun Referenzszenarien für die Ausbaujahre 2030, 2035, 2040 und 2045 und lassen sich die Ergebnisse pro Jahr sehr detailliert im Stundenraster anzeigen, und zwar:

• Stromerzeugung und -bezug,
• Wärmeerzeugung,
• CO₂-Mengen,
• Kosten,
• spezifische Wärmeerzeugungskosten,
• Anteil der erneuerbaren Wärmeerzeugung und
• Deckungsbeitrag.

Die eins-Mitarbeiter können die Szenarien selbst nach ihren Wünschen anpassen und aus den Berechnungsergebnissen Aussagen zur Machbarkeit der Transformationspfade ableiten. Eine Unterstützung durch KISTERS zur Erstellung und Konfiguration neuer Szenarien ist nicht erforderlich. An den Ergebnissen erkennen die Mitarbeiter u.a., welche Auswirkungen der Einsatz neuer Technologien hat, wo Abhängigkeiten bestehen, zu welcher Jahresperiode welcher Typ Anlage eingesetzt werden sollte, welche Anlagen der Chemnitzer Infrastrukturdienstleister braucht, um die Spitzenlast im Winter decken zu können, welchen Einfluss die Größe eines Speichers auf die Wahl der Anlagen hat – und nicht zuletzt welche Investitionen Sinn machen. Da man anhand der Optimierungsrechnung Aussagen über die Benutzungsstunden der Anlagen treffen und dann die Investitionskosten auf die Vollbenutzungsstunden umrechnen kann, erhält man vergleichbare Aussagen zu den einzelnen Anlagen als spezifische Kosten (€/MWh) in einem Jahr.

Die für jedes Jahr zu lösende Optimierungsaufgabe ist umfangreich und komplex: Der lange Betrachtungszeitraum, die Vielzahl an Technologien und Randbedingungen, der gewünschte Detaillierungsgrad der Ergebnisse sowie insbesondere der Einsatz von Speichern machen die Berechnungen aufwändig. Denn Speicher koppeln mehrere Zeitschritte und sorgen für neue Abhängigkeiten, die es abzubilden und zu berechnen gilt. Folglich beträgt die Rechenzeit für ein Ausbaujahr bei eins einige wenige Stunden (< 3 h).

BelVis ResOpt verfügt über intelligente Aggregationsalgorithmen, die die Rechenzeit signifikant von mehreren Stunden auf wenige Minuten reduzieren, ohne zu viel an Genauigkeit einzubüßen. Es liegt natürlich im Ermessen des Anwenders, ob er diese Algorithmen einsetzt oder lieber etwas länger auf das präzisere Ergebnis wartet. Im Tool lässt sich definieren, wie hoch die Einbuße an Genauigkeit sein darf.