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2016 | Buch

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Analyse und Optimierung von Energieverbundsystemen

verfasst von: Wolfgang Schellong

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Das interdisziplinär aufgebaute Buch bietet kommunalen Energieversorgern Hilfestellung, damit sie ihre Energieverbundsysteme analysieren und optimal steuern lernen.
Es gibt einen Überblick über den Aufbau und die Komponenten von kommunalen Energieverbundsystemen. Die mathematischen und informationstechnischen Methoden zur Energiesystemanalyse werden umfassend beschrieben und an Praxisbeispielen erläutert. Es wird gezeigt, wie die Effizienz eines Kraftwerksverbunds mithilfe eines Energiecontrollingsystems analysiert und verbessert werden kann. Die dafür notwendigen Schritte zum Aufbau eines Energieinformationssystems werden detailliert dargestellt. Auch die mathematischen Methoden zur Analyse und Prognose des Energiebedarfs werden vorgestellt. Es wird gezeigt, wie diese Methoden zur Prognose der Stromlast und des Wärmebedarfs von Fernwärmesystemen genutzt werden. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Energieanalyse werden Optimierungsaufgaben für Verbundsysteme abgeleitet und Lösungsansätze für die mathematische Optimierung dargestellt.
Das Buch wird abgerundet durch eine zusammenfassende Beschreibung der Anforderungen für die Softwareentwicklung eines Energiemanagementsystems.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Herausforderungen der künftigen Energieversorgung

Zusammenfassung

Im Spannungsfeld zwischen Versorgungssicherheit, Klimaschutzzielen und Wirtschaftlichkeit wird die künftige Energieversorgung durch einen tiefgreifenden Strukturwandel geprägt. Die Rahmenbedingungen der globalen Energieversorgung sind einerseits durch einen Anstieg des weltweiten Energieverbrauchs und andererseits durch die Verknappung der fossilen Brennstoffressourcen gekennzeichnet. Wir beschreiben in diesem Kapitel die Konsequenzen, die sich wegen der beschränkten Nutzung fossiler Energiequellen und aus dem Klimawandel für die zukünftige Energieversorgung und für die Erhöhung der Energieeffizienz ergeben. Daraus werden Ziele und Handlungsfelder der Energiewende in Deutschland abgeleitet und die wesentlichen energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen dargestellt. Indikatoren für die Energieeffizienz werden analysiert. Die spezifische Rolle kommunaler Energieversorgungsunternehmen bei der Realisierung der Energiewende wird herausgearbeitet.

Wolfgang Schellong

2. Energetische Grundlagen

Zusammenfassung

Im zweiten Kapitel werden die energetischen Grundlagen bereitgestellt, um die Prozesskette von der Energieerzeugung bis zur -anwendung qualitativ und quantitativ zu beschreiben. Ausgehend von den Hauptsätzen der Thermodynamik werden Prozesse der Energieumwandlung untersucht, die für die Energieeffizienz besondere Bedeutung haben. Dabei konzentrieren wir uns auf die Grundlagen der thermischen und elektrischen Energie als wichtige Energieformen. Wir untersuchen die Zustandsgrößen von Wasserdampf, der das wichtigste Arbeitsmedium bei der Energieerzeugung mit Dampfturbinen darstellt. Mithilfe energetischer Kennziffern werden Brennstoffe und Umwandlungsprozesse analysiert.

Wolfgang Schellong

3. Energieverbundsysteme

Zusammenfassung

Kommunale Querverbundunternehmen haben einen hohen Anteil an der spartenübergreifende Versorgung von Verbrauchern mit unterschiedlichen Energieformen. In Energieverbundsystemen kommen unterschiedliche Technologien zum Einsatz, die in diesem Kapitel beschrieben werden. Wir untersuchen die technischen Grundlagen und Anwendungsmöglichkeiten der wichtigsten Anlagen, die in kommunalen Versorgungsstrukturen genutzt werden. Für die effiziente Nutzung fossiler Brennstoffe spielt die Kraft-Wärme-Kopplung eine dominierende Rolle. Mithilfe von energetischen Kennziffern wird die Effizienz der Energiebereitstellung bewertet. In die Analyse werden neben der konventionellen Energieumwandlung in Dampfkraftwerken dezentrale und regenerative Energiesysteme sowie Speicher einbezogen.

Wolfgang Schellong

4. Energiesystemanalyse

Zusammenfassung

Die Planung, Auslegung, Steuerung und Optimierung der Anlagen eines Energieverbunds erfordern eine Analyse des Energiesystems. Die Analyse wird durchgeführt, um Antworten auf bestimmte Fragen zu erhalten, die der Vorhersage, der Steuerung von Abläufen oder zum besseren Verstehen des Prozesses dienen. Die Simulation energietechnischer Prozesse hilft dabei, Energiesysteme unter vereinfachenden Modellannahmen nachzubilden. Mathematische Modelle beschreiben reale Aufgaben aus Natur, Technik oder Wirtschaft auf der Basis von mathematischen Strukturen. Das Kapitel stellt die wesentlichen Schritte der mathematischen Modellbildung für Energiesysteme und numerische Lösungsalgorithmen dar. Schwerpunkte sind dabei die Regressionsanalyse als universell einsetzbare Methode für die Modellierung von Ursache-Wirkungs-Beziehungen und die Simulation mithilfe von neuronalen Netzen. Darüber hinaus werden Indikatoren für die Modellüberprüfung vorgestellt.

Wolfgang Schellong

5. Energiedatenmanagement

Zusammenfassung

Zur Analyse und Optimierung eines Energieverbundsystems sind vielfältige Informationen über die Bereitstellung, den Einsatz und den Verbrauch von Brennstoffen sowie über die eingespeisten Strom- und Wärmemengen erforderlich. Die benötigten Daten werden in einem Energieinformationssystem zusammengefasst. Dieses Kapitel beschreibt die notwendigen Maßnahmen zur Verarbeitung und Analyse der relevanten Energiedaten. Schwerpunkte bilden dabei die Systeme zur Datenerfassung einschließlich des Messkonzepts sowie die Methoden zur Datenprüfung. Der Aufbau und die Funktionen einer Energiedatenbank werden vorgestellt. In Energiesystemen spielen Smart Meter eine zunehmend wichtige Rolle. Wir untersuchen die technischen und organisatorischen Voraussetzungen für den Einsatz von intelligenten Messeinrichtungen und die Perspektiven, die sich durch ihren Einsatz für den künftigen Energiemarkt ergeben.

Wolfgang Schellong

6. Energiecontrolling

Zusammenfassung

Das Energiecontrolling hat eine Schlüsselfunktion für eine kostengünstige Energiebeschaffung und für den effizienten Energieeinsatz. Es beschäftigt sich mit dem Erfassen aller energierelevanten Daten und der Aufbereitung der gewonnenen Informationen, sodass Entscheidungen getroffen werden können, deren Ziel die Senkung des Energieverbrauchs und der Energiekosten ist. Neben energiespezifischen Planungsaufgaben umfasst es die Energieberichterstattung sowie die Energieanalyse einschließlich der Wirtschaftlichkeitsrechnung. Zu den Aufgaben des Energiecontrollings gehört die Unterstützung von Investitionsentscheidungen sowohl für die Realisierung von Optimierungsmaßnahmen als auch für den Neubau, den Ersatz oder die Erweiterung von Energiesystemen. Wir beschreiben in diesem Kapitel die Aufgaben und Methoden des Energiecontrollings als Bestandteil des Energiemanagements für ein Energieverbundsystem.

Wolfgang Schellong

7. Analyse und Modellierung des Energiebedarfs

Zusammenfassung

Die Analyse der Einflussfaktoren auf den Energiebedarf besitzt große Bedeutung sowohl für Energieversorger als auch für Energieverbraucher. Prognosetools zur Berechnung des Energiebedarfs tragen zur effizienten Energiebereitstellung und -nutzung bei. Die Lastprognose beinhaltet die Vorhersage des künftigen zeitlichen Verlaufs des Verbrauchs von Strom, Wärme, Gas oder anderen eingesetzten Energieformen. Die Berechnung der Vorhersage erfolgt mithilfe mathematischer Modelle auf der Basis von historischen Lastverläufen unter Einbeziehung von aktuellen Produktions- und Klimadaten sowie weiterer signifikanter Einflussfaktoren. Wir konzentrieren uns in diesem Kapitel auf die Beschreibung von Regressionsmodellen für den Strom- und Wärmebedarf eines Versorgungsgebiets sowie auf die Anwendung von künstlichen neuronalen Netzen zur Entwicklung von Lastprognoseverfahren.

Wolfgang Schellong

8. Lastprofile und Lastmanagement

Zusammenfassung

Der Betrieb von Energieversorgungssystemen hängt stark von der Charakteristik des zeitlichen Lastverlaufs der abgenommenen Leistung für Strom, Gas oder Wärme ab. Darüber hinaus sind detaillierte Kenntnisse über das Lastverhalten notwendig, um geeignete Maßnahmen des Lastmanagements zu planen. Das Lastmanagement umfasst alle Maßnahmen zur Anpassung des elektrischen Leistungsbedarfs an die verfügbaren Kraftwerkskapazitäten. Für die Analyse und die Simulation des Lastverhaltens von Stromverbrauchern ohne Leistungsmessung verwendet man standardisierte Lastprofile, die in diesem Kapitel beschrieben werden. Mithilfe von Lastprofilen wird das zeitliche Verbrauchsverhalten eines typischen Endverbrauchers durch normierte kundengruppen- oder branchenbezogene Verbrauchsmuster substituiert. Wir untersuchen, wie der Strom- und Wärmebedarf eines Energieversorgers durch die Kombination und Überlagerung von Standardlastprofilen simuliert werden kann.

Wolfgang Schellong

9. Optimierung von Verbundsystemen

Zusammenfassung

Fragestellungen der Optimierung spielen in der Energiewirtschaft eine wichtige Rolle. Ausgehend vom allgemeinen mathematischen Optimierungsmodell beschreiben wir Strategien für verschiedene Verfahren zur Optimierung von Energiesystemen. Sie finden unter anderem Anwendung in der optimalen Betriebsführung von Energiesystemen und bei der strukturierten Energiebeschaffung. Bei den mathematischen Verfahren konzentrieren wir uns auf lineare Optimierungsprobleme und auf den Simplex-Algorithmus als universelles Lösungsverfahren. Anhand eines kommunalen Energieverbundsystems werden wesentlichen Optimierungsaufgaben hergeleitet und Lösungsansätze dargestellt. Schwerpunkte bilden dabei die Querverbundoptimierung und die Kraftwerkseinsatzplanung, mit deren Hilfe die Strom- und Wärmeerzeugung der einzelnen Anlagen sowie der Brennstoffeinsatz optimiert werden.

Wolfgang Schellong

10. Energiemanagementsysteme

Zusammenfassung

Energiemanagement unterstützt Maßnahmen zur effizienten Energienutzung, die sich aus betriebswirtschaftlichen und umweltpolitischen Zielen ergeben. Es untersucht dabei den Weg der Energie von der Bereitstellung mit unterschiedlichen Energieträgern, über die Energieverteilung bis hin zur Energieanwendung. Wir beschreiben in diesem Kapitel Anforderungen für die Entwicklung und Implementierung von Energiemanagementsystemen. Diese umfassen die inhaltlichen und organisatorischen Aspekte, die bei der Softwareentwicklung solcher Systeme zu erfüllen sind. Die Struktur eines Lastenhefts zur Entwicklung von Energiemanagementsystemen wird vorgestellt.

Wolfgang Schellong

11. Lösungen zu den Übungsaufgaben

Zusammenfassung

Dieses Kapitel enthält die Lösungen zu den Übungsaufgaben im Text.

Wolfgang Schellong

Backmatter

Titel: Analyse und Optimierung von Energieverbundsystemen
verfasst von: Wolfgang Schellong
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-662-49463-9
Print ISBN: 978-3-662-48527-9
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-662-49463-9