Optimierung von Energiesystemen unter Verwendung bilinearer Nebenbedingungen

Description: Die rechnergestützte Optimierung von Energiesystemen ist ein entscheidender Baustein für die Energiewende und das Erreichen von Klimaschutzzielen. Dabei werden die realen Systeme in mathematische Modelle übertragen und nach Vorgabe eines Ziels, z.B. der Minimierung von Emissionen oder Kosten, durch Algorithmen im Rechner gelöst. In der Planungspraxis werden fast ausschließlich vereinfachte, lineare Modelle verwendet, was in vielen Fällen auch eine ausreichend genaue Beschreibung der Realität darstellt (meist MILP). Bei einer Reihe von aktuellen Problemstellungen, wie der Optimierung von Prozessen und Systemen mit schwankenden Temperaturniveaus (z.B. Wärmepumpen oder Dampfsysteme in Kraftwerken), trifft das aber nicht mehr zu. Alternativ können nichtlineare Modelle mit angepassten Optimierungsmethoden (MINLP) verwendet werden, dabei steigt aber der Aufwand erheblich und ist eigentlich nur im Forschungskontext leistbar. Bilineare Methoden stellen einen Mittelweg dar. Der Einsatz dieser Methoden in der Energiesystemtechnik wird in diesem Projekt anhand praktischer Anwendungsfälle untersucht. Dazu werden im Teilvorhaben des SWK E² die drei methodischen Ansätze bezüglich Ergebnisqualität, Modellierungs- und Rechenaufwand gegenübergestellt. Eine Herausforderung ist dabei die Überführung der nichtlinearen in bilineare Formulierungen. Diese kann einerseits manuell erfolgen. Hierzu werden im Projekt für verschiedene Problemklassen methodische Vorgehensweisen im Sinne eines Leitfadens erarbeitet. Andererseits kann das Aufstellen der Gleichungen durch Algorithmen unterstützt werden. Hier erstellt der Projektpartner GFaI auf Basis der gemeinsamen Ideen einen Softwareprototypen. Dieser Prototyp wird außerdem verbesserte Lösungsalgorithmen für bilinear modellierte Energiesysteme enthalten, die in die Potenzialbewertung durch das SWK E² einfließen werden. Ziel ist es, die Methodik für die breite Anwendung außerhalb des Wissenschaftsbetriebs zugänglich zu machen.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Energiewende ? Solarthermisches Kraftwerk ? Leitfaden ? Wärmepumpe ? Energiesystem ? Mathematisches Modell ? Klimaziel ?

Region: Nordrhein-Westfalen

Bounding boxes: 6.76339° .. 6.76339° x 51.21895° .. 51.21895°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik e.V. (Mitwirkung)
• Hochschule Niederrhein University of Applied Sciences, SWK E² - Institut für Energietechnik und Energiemanagement (Projektverantwortung)
• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• perpendo Energie- und Verfahrenstechnik GmbH (Mitwirkung)

Time ranges: 2023-10-01 - 2026-09-30

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Optimization of energy systems using bilinear constraints
  Description: The computer-aided optimization of energy systems is a crucial building block for the energy transition and the achievement of climate protection targets. In this process, real systems are transferred into mathematical models and solved by algorithms in the computer according to the specification of a goal, e.g. the minimization of emissions or costs. In planning practice, simplified linear models are used almost exclusively, which in many cases also represents a sufficiently accurate description of reality (mostly MILP). However, for a number of current problems, such as the optimization of processes and systems with fluctuating temperature levels (e.g. heat pumps or steam systems in power plants), this is no longer true. Alternatively, nonlinear models with adapted optimization methods (MINLP) can be used, but this increases the effort considerably and is actually only affordable in a research context. Bilinear methods represent a middle ground. The use of these methods in power systems engineering is investigated in this project on the basis of practical application cases. For this purpose, the three methodological approaches are compared with respect to result quality, modeling and computational effort in the subproject of SWK E². One challenge is the transformation of the nonlinear formulations into bilinear ones. On the one hand, this can be done manually. For this purpose, methodical procedures are developed in the project for different problem classes in the sense of a guideline. On the other hand, the formulation of the equations can be supported by algorithms. Here, the project partner GFaI will create a software prototype based on the common ideas. This prototype will also contain improved solution algorithms for bilinearly modeled energy systems, which will be incorporated into the potential assessment by SWK E². The goal is to make the methodology accessible for broad application outside the scientific community. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1119010

Status

Aktiv

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