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Bibliographic Metadata

Title
Optimal expansion of district heating networks under consideration of an existing gas network
AuthorHensel, Piet
ExaminerSuhl, Leena ; Koberstein, Achim
Published2013
Institutional NotePaderborn, Univ., Diss., 2013
Annotation
Tag der Verteidigung: 24.09.2013
LanguageGerman ; English
Document TypesDissertation (PhD)
URNurn:nbn:de:hbz:466:2-12407 
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Optimierung des Ausbaus von Nah- und Fernwärmenetzen unter Berücksichtigung eines bestehenden Gasnetzes [8.64 mb]
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Classification
Abstract (German)

Ein wesentlicher Baustein für eine nachhaltige Reduktion der CO2-Emissionen ist der effizientere Primärenergieeinsatz durch die Nutzung der Abwärme bei der Stromerzeugung in Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK). Voraussetzung für die verstärkte Nutzung von KWK ist ein Ausbau der Wärmenetze, welche es ermöglichen, die Abwärme zu den Haushalten zu transportieren und dort zur Beheizung zu nutzen.Da der Ausbau von Wärmenetzen mit hohen Investitionskosten verbunden ist, muss das benötigte Kapital möglichst zielgenau eingesetzt werden. Um einen wirtschaftlichen Betrieb der Netze zu ermöglichen sollte der Netzausbau auf Trassen mit einem ausreichend hohen Wärmebedarf konzentriert werden.Zur Identifikation dieser Trassen wird in dieser Arbeit ein entscheidungsunterstützendes System entwickelt, welches die gewinnmaximierende Erweiterung eines Fernwärmenetzes aus Sicht des Versorgungsunternehmens bestimmt. Das gemischt-ganzzahlige lineare Optimierungsmodell ermittelt die optimalen Standorte für Heizkraftwerke, die zu verrohrenden Straßenabschnitte und die zu versorgenden Kunden. Die Formulierung als mehrperiodiges Netzwerkentwurfsproblem erlaubt die Bestimmung der optimalen Ausbaureihenfolge in einem schrittweisen Netzausbau. Verdrängungseffekte und damit einhergehende Erlösrückgänge in der bestehenden Gasversorgung werden in dem Modell berücksichtigt. Zusätzlich werden Rückbauoptionen des Gasnetzes identifiziert.Die numerischen Eigenschaften des Optimierungsmodells werden durch umfangreiche Benchmark-Berechnungen untersucht und mit bestehenden Ansätzen zur Lösung verwandter Steiner-Graph Probleme verglichen. In einer Fallstudie wird die Praxistauglichkeit des Optimierungssystems nachgewiesen. Szenarienrechnungen zeigen die Auswirkungen verschiedener Wärmebedarfs- und Preisentwicklungen.

Abstract (English)

A more efficient use of primary energy by utilization of waste heat from electricity generation in combined heat and power plants (CHP) is essential for a sustainable reduction of CO2 emissions. Prerequisite for increasing CHP usage is an expansion of district heating networks, which allow distributing the heat to consumers.Since the construction of district heating networks requires high investments, the network expansion should concentrate on routes with a sufficiently high heat demand, in order to achieve profitability. To identify these routes, a decision support system is developed, which determines the profit-maximizing expansion of a district heating network from the perspective of the utility company. The proposed mixed-integer linear programming model determines the optimal location of heat plants, the roads to pipe and the customers to supply. The formulation as a multi period network design problem allows for a stepwise network expansion in the optimal chronological order.Crowding-out effects and thus decreasing revenues of the existing gas supply are taken into consideration. Additionally, deconstruction options for the gas network are identified.The numerical properties of the optimization model are examined through extensive benchmark calculations and compared to existing approaches for the solution of related Steiner graph problems. In a case study the applicability of the optimization model to practical problems is demonstrated, showing the effects of different demand and price scenarios.