Entwicklung eines Stoff- und Energiestrommodells für Bioenergiedörfer unter Berücksichtigung mehrerer Zielsetzungen

– Die Optimierung von Nahwärmenetzen und Kraftwerkskapazitäten ermöglicht eine kosteneffiziente Planung und Umsetzung dezentraler Bioenergiedörfer. –

Im Verlauf der letzten Jahre kommen dezentrale Energieversorgungssysteme in Deutschland immer häufiger zum Einsatz. Sogenannte Bioenergiedörfer sind dabei ein Extrembeispiel dieser dezentralen Energieversorgung. Diese Dörfer oder Gemeinden produzieren 100% der verwendeten Elektrizität und mindestens 50% der benötigten Wärmeenergie selber. Die Wärmeenergie sollte dabei in Kraft-Wärmekopplung erzeugt werden, um die Gesamteffizienz der Anlagen zu erhöhen. Das zentrale Thema der Dissertation ist die Modellierung und Optimierung dieser Energieproduktions- und Distributionssysteme.
Um dieses Ziel zu erreichen, soll ein Stoff- und Energiestrommodell für Bioenergiedörfer entwickelt werden, das die Realität unter Berücksichtigung der gegebenen Parameter wiedergibt. Gleichzeitig soll das Modell in der Lage sein, die zu treffenden Entscheidungen bezüglich der Platzierung und Dimensionierung der Anlagen sowie des Verlaufs der Wärmenetze unter ökonomischen Gesichtspunkten zu optimieren.
Die zu berücksichtigenden Parameter können dabei sehr vielfältig sein. Auf der einen Seite sind rechtliche Rahmenbedingungen und Vorgaben zu berücksichtigen, die die Errichtung und den Betrieb von Biogasanlagen und Blockheizkraftwerken regulieren. Außerdem müssen die gesetzlichen Subventionen nach dem novellierten EEG 2012 und dem KWK-Gesetz betrachtet werden, um ökonomisch aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten.
Gesellschaftliche Einflüsse entstehen beispielsweise durch die unterschiedliche Akzeptanz einer Biogasanlage in der Bevölkerung. Bei der Auswahl möglicher Standorte müssen Nebenbedingungen wie Mindestabstand zu Wohngebieten berücksichtigt werden. Aber auch bei der Verlegung und Dimensionierung eines Nahwärmenetzes muss der potentiellen Bereitschaft der Anwohner Rechnung getragen werden, ihre Nutzwärme aus einem lokalen Nahwärmenetz zu beziehen.
Technische Aspekte spielen ebenfalls eine wichtige Rolle. So sollte das Nahwärmenetz möglichst effizient und kostengünstig verlegt werden. Gegebenenfalls müssen zusätzliche Heizkessel installiert werden, um die Spitzenlast während der Heizperiode abzudecken, oder um einen Ausfall der Nahwärmeversorgung abfangen zu können.
Nicht zuletzt müssen die ökologischen Gegebenheiten berücksichtigt werden, die unter anderem einen Einfluss auf die zu Verfügung stehende Biomasse haben. Neben den Anbaumethoden und Fruchtfolgen kann auch die Entwicklung des Klimas entscheidend sein, da sich die Bodenverhältnisse und Niederschlagsmengen stark auf die Erträge der Landwirte und damit auf die Biomasseverfügbarkeit auswirken.
Unter der Berücksichtigung der genannten Parameter soll ein Modell entwickelt werden, das mit Hilfe der ganzzahligen linearen Optimierung die dezentralen Energieversorgungssysteme optimiert. Dabei sollen die Standorte der Biogasanlagen und BHKW optimal gewählt werden. Parallel dazu wird auch der Netzverlauf des Nahwärmenetzes optimiert, unter Berücksichtigung der Rentabilität der potentiell anzuschließenden Wärmeabnehmer. Durch die Anwendung auf ein reales Beispiel und die Betrachtung verschiedener Szenarien wird das Modell abschließend getestet und validiert.