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Optimierungsmethodik zur Investitions- und Einsatzplanung der Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme

Kohne, Thomas (2023)
Optimierungsmethodik zur Investitions- und Einsatzplanung der Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00026436
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Steigende und volatilere Energiekosten, Unsicherheit über die zukünftige Versorgungssicherheit sowie das sozio-ökologische Ziel, Treibhausgasemissionen zu reduzieren und Klimaneutralität zu erreichen, veranlassen Industrieunternehmen zu Investitionen in die Transformation der Energieversorgung ihrer Industriestandorte. Gleichzeitig steht die Dekarbonisierung des Wärmesektors noch am Anfang und es werden Möglichkeiten entwickelt, überschüssige Wärme aus Industrieunternehmen über Fernwärmenetze verfügbar zu machen. Abwärme hat in der Fernwärmeversorgung in Deutschland derzeit nur einen geringen Anteil, jedoch wird insbesondere in der industriellen Abwärme ein großes Potenzial zur Emissionsminderung gesehen.

Die Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme und damit auch die Möglichkeit der Einspeisung von Abwärme in Fernwärmenetze ist aus Sicht eines Industrieunternehmens ein Planungsprozess, der durch das industrielle Energiemanagement gesteuert wird. Fehlende Transparenz sowie Berechnungsgrundlagen und Vorgehensweisen bei der ganzheitlichen Investitions- und Einsatzplanung sind wesentliche Hemmnisse für das industrielle Energiemanagement und lassen Planungsprojekte wie die Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme bereits in frühen Planungsphasen scheitern. Vor dem Hintergrund der technischen, ökonomischen und ökologischen Potenziale und Herausforderungen wird in der vorliegenden Arbeit eine Optimierungsmethodik zur Investitions- und Einsatzplanung der Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme vorgestellt. Diese Optimierungsmethodik besteht im Kern aus drei Modellen -- einem deskriptiven Modell, einem Optimierungsmodell und einem Vorgehensmodell --, die sich auf die Unterstützung der Konzeptplanung einer bidirektionalen Fernwärmeanbindung aus Industrieperspektive unter Berücksichtigung von Transformationsszenarien des industriellen Energiesystems und Partizipationsmodellen des Fernwärmenetzes fokussieren.

In Modell- und Methodentests wurden die einzelnen Modelle und Methoden anhand des Anwendungsfalls ETA mit Daten der ETA-Fabrik der Technischen Universität Darmstadt hinsichtlich Funktionalität der Optimierungsmethodik untersucht. Weiterhin wurde die Anwendbarkeit der Optimierungsmethodik unter Verwendung des Vorgehensmodells anhand einer Industrieanwendung getestet. Im Anwendungsfall DELTA plant das Industrieunternehmen Merck KGaA in Darmstadt eine Fernwärmeanbindung an ein Fernwärmenetz des Energieversorgungsunternehmens ENTEGA AG. Die Ergebnisse der Industrieanwendung zeigen, dass eine Fernwärmeanbindung unter Berücksichtigung von Unsicherheit über die zukünftige Transformation des industriellen Energiesystems ökonomisch und ökologisch sinnvoll geplant werden kann. Optimierungsmethodiken, wie in dieser Arbeit präsentiert, können die notwendigen Planungsphasen und -prozesse durch höhere Transparenz sowie bessere Berechnungsgrundlagen und Vorgehensweisen für vorhandene Daten und Informationen unterstützen; in der Hoffnung, die notwendige Wärmewende zu beschleunigen.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Kohne, Thomas
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Optimierungsmethodik zur Investitions- und Einsatzplanung der Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme
Sprache: Deutsch
Referenten: Weigold, Prof. Dr. Matthias ; Niessen, Prof. Dr. Stefan
Publikationsjahr: 15 Dezember 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: xxiii, 222 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 12 Dezember 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00026436
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/26436
Kurzbeschreibung (Abstract):

Steigende und volatilere Energiekosten, Unsicherheit über die zukünftige Versorgungssicherheit sowie das sozio-ökologische Ziel, Treibhausgasemissionen zu reduzieren und Klimaneutralität zu erreichen, veranlassen Industrieunternehmen zu Investitionen in die Transformation der Energieversorgung ihrer Industriestandorte. Gleichzeitig steht die Dekarbonisierung des Wärmesektors noch am Anfang und es werden Möglichkeiten entwickelt, überschüssige Wärme aus Industrieunternehmen über Fernwärmenetze verfügbar zu machen. Abwärme hat in der Fernwärmeversorgung in Deutschland derzeit nur einen geringen Anteil, jedoch wird insbesondere in der industriellen Abwärme ein großes Potenzial zur Emissionsminderung gesehen.

Die Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme und damit auch die Möglichkeit der Einspeisung von Abwärme in Fernwärmenetze ist aus Sicht eines Industrieunternehmens ein Planungsprozess, der durch das industrielle Energiemanagement gesteuert wird. Fehlende Transparenz sowie Berechnungsgrundlagen und Vorgehensweisen bei der ganzheitlichen Investitions- und Einsatzplanung sind wesentliche Hemmnisse für das industrielle Energiemanagement und lassen Planungsprojekte wie die Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme bereits in frühen Planungsphasen scheitern. Vor dem Hintergrund der technischen, ökonomischen und ökologischen Potenziale und Herausforderungen wird in der vorliegenden Arbeit eine Optimierungsmethodik zur Investitions- und Einsatzplanung der Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme vorgestellt. Diese Optimierungsmethodik besteht im Kern aus drei Modellen -- einem deskriptiven Modell, einem Optimierungsmodell und einem Vorgehensmodell --, die sich auf die Unterstützung der Konzeptplanung einer bidirektionalen Fernwärmeanbindung aus Industrieperspektive unter Berücksichtigung von Transformationsszenarien des industriellen Energiesystems und Partizipationsmodellen des Fernwärmenetzes fokussieren.

In Modell- und Methodentests wurden die einzelnen Modelle und Methoden anhand des Anwendungsfalls ETA mit Daten der ETA-Fabrik der Technischen Universität Darmstadt hinsichtlich Funktionalität der Optimierungsmethodik untersucht. Weiterhin wurde die Anwendbarkeit der Optimierungsmethodik unter Verwendung des Vorgehensmodells anhand einer Industrieanwendung getestet. Im Anwendungsfall DELTA plant das Industrieunternehmen Merck KGaA in Darmstadt eine Fernwärmeanbindung an ein Fernwärmenetz des Energieversorgungsunternehmens ENTEGA AG. Die Ergebnisse der Industrieanwendung zeigen, dass eine Fernwärmeanbindung unter Berücksichtigung von Unsicherheit über die zukünftige Transformation des industriellen Energiesystems ökonomisch und ökologisch sinnvoll geplant werden kann. Optimierungsmethodiken, wie in dieser Arbeit präsentiert, können die notwendigen Planungsphasen und -prozesse durch höhere Transparenz sowie bessere Berechnungsgrundlagen und Vorgehensweisen für vorhandene Daten und Informationen unterstützen; in der Hoffnung, die notwendige Wärmewende zu beschleunigen.
Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Rising and more volatile energy costs, uncertainty about future security of supply and the socio-environmental goal of reducing greenhouse gas emissions and achieving climate neutrality are prompting industrial companies to invest in transforming the energy supply of their industrial sites. At the same time, the decarbonisation of the heat sector is still in its infancy and opportunities are being developed to make surplus heat from industrial companies available via district heating networks. Waste heat currently accounts for only a small proportion of district heating supply in Germany, but industrial waste heat in particular is seen as having great potential for reducing emissions.

From the point of view of an industrial company, the connection of industrial energy systems to district heating, and thus also the possibility of feeding waste heat into district heating networks, is a planning process controlled by industrial energy management. A lack of transparency, calculation bases and procedures for integrated investment and operational planning are major obstacles for industrial energy management and cause planning projects such as the district heating connection of industrial energy systems to fail in the early planning phases. Against the background of the technical, economic and environmental potentials and challenges, this paper presents an optimisation methodology for investment and operational planning of a district heating connection of industrial energy systems. This optimisation methodology essentially consists of three models -- a descriptive model, an optimisation model and a procedure model --, which focus on supporting the concept planning of a bidirectional district heating connection from an industrial perspective, taking into account transformation scenarios of the industrial energy system and participation models of the district heating network.

In model and method tests, the individual models and methods were examined with regard to the functionality of the optimisation methodology using the ETA use case with data from the ETA factory of the Technical University of Darmstadt. Furthermore, the applicability of the optimisation methodology was tested using the procedure model on the basis of an industrial application. In the DELTA use case, the industrial company Merck KGaA in Darmstadt is planning a district heating connection to a district heating network of the energy supplier ENTEGA AG. The results of the industrial application show that a district heating connection can be planned in an economically and ecologically sensible way, while taking into account the uncertainty of the future transformation of the industrial energy system. Optimisation methodologies such as presented in this thesis can support the necessary planning phases and processes by providing higher transparency and better calculation bases and procedures for existing data and information; in the hope of accelerating the necessary heat transition.

Englisch
Freie Schlagworte: Industrielles Energiesystem, Industrielle Abwärme, Fernwärme, Mathematische Optimierung
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-264360
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Produktionsmanagement und Werkzeugmaschinen (PTW)
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Produktionsmanagement und Werkzeugmaschinen (PTW) > ETA Energietechnologien und Anwendungen in der Produktion
Hinterlegungsdatum: 15 Dez 2023 13:05
Letzte Änderung: 18 Dez 2023 09:24
PPN:
Referenten: Weigold, Prof. Dr. Matthias ; Niessen, Prof. Dr. Stefan
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 12 Dezember 2023
Export:
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