Masterarbeit: Betriebsoptimierung von Wärmenetzen

Die Fraunhofer-Gesellschaft (www.fraunhofer.de) betreibt in Deutschland derzeit 76 Institute und Forschungseinrichtungen und ist eine der führenden Organisationen für anwendungsorientierte Forschung. Rund 32 000 Mitarbeitende erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von 3,4 Milliarden Euro.

Wärmenetze sind eine grundlegende Schlüsseltechnologie, die für das Gelingen der Wärmewende von großer Bedeutung sind.

In Zukunft werden Netzverdichtung und -erweiterung in Kombination mit einer zunehmenden dezentralen und strombasierten Wärmebereitstellung notwendig sein, was eine stärkere Sektorenkopplung und eine hohe Komplexität zur Folge hat. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, den ertragsmaximalen Betrieb von steuerbaren Erzeugern über alle Sektoren hinweg zu gewährleisten, sowohl im Hinblick auf den Energiebezug als auch auf den Energieabsatz.

Das Forschungsprojekt AGENT4heat macht mittels Kopplung von physikalischer Simulation und mathematischer Optimierung Flexibilitäten im Fernwärmenetz nutzbar, um durch eine verbesserte Betriebsführung Energie- und Kosteneinsparungen zu erreichen. Zu den Flexibilitäten gehört beispielsweise die Wärmespeicherfähigkeit des Leitungsnetzes selbst. Diese beruht auf der thermischen Trägheit der Übertragungsstrecke von der Erzeugung hin zum Verbrauch der Wärme, die durch eine aktive, temporäre Erhöhung der eingespeisten Wärme zur Pufferspeicherung ausgenutzt werden kann. Physikalisch verbergen sich nicht-lineare Zusammenhänge hinter diesem Phänomen, deren Abbildung sich in gemischt-ganzzahligen Optimierungsmodellen als Herausforderung darstellt.

Wir bieten dir folgendes Thema für deine Masterarbeit an: Betriebsoptimierung von Wärmenetzen durch integrierte Modellierung dynamischer Netzspeicher

Was Du bei uns tust

Im Rahmen der Masterarbeit soll untersucht werden, wie die Flexibilität des Fernwärmenetzes im Optimierungsmodell berücksichtigt werden kann.

Dafür soll zunächst ein Optimierungsmodell für ein vereinfachtes Fernwärmenetz in Python / Pyomo aufgestellt werden. Im Anschluss sollen verschiedene Varianten für die Modellierung der Speicherfähigkeit des Fernwärmenetzes aufgestellt und erprobt werden. Dabei sind die durch das Fernwärmenetz bedingten speziellen Restriktionen zu berücksichtigen (z.B. vom Füllstand abhängige Ein- und Ausspeicherleis-tung, Modellierung mehrerer sequentieller Speicher).

Bei den bisherigen Untersuchungen im Forschungsprojekt wurde für die Ermittlung der Netzspeicherfähigkeit stets angenommen, dass die Vorlauftemperatur sprunghaft auf eine Zieltemperatur erhöht wird, sodass die maximale Einspeicherleistung unmittelbar zur Verfügung steht. Durch die Anwendung eines (vorhandenen) Simulationsmodells soll untersucht werden, wie sich die Speichereigenschaften ändern, wenn die Vorlauftemperatur entsprechend vorgegebenen Verläufen erhöht wird. Diese Erkenntnisse sollen ebenfalls in das Optimierungsmodell einfließen. Zum Abschluss sollen die verschiedenen Modellierungsvarianten gegenübergestellt werden. Es soll u.a. analysiert werden, welche Varianten die Speicherfähigkeit des Fernwärmenetzes am realistischsten abbilden, wobei jedoch auch der Modellierungsaufwand und die für die jeweilige Lösung erforderliche Rechenzeit untersucht werden sollen.,

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  Wir wertschätzen und fördern die Vielfalt der Kompetenzen unserer Mitarbeitenden und begrüßen daher alle Bewerbungen - unabhängig von Alter, Geschlecht, Nationalität, ethnischer und sozialer Herkunft, Religion, Weltanschauung, Behinderung sowie sexueller Orientierung und Identität. Schwerbehinderte Menschen werden bei gleicher Eignung bevorzugt eingestellt.

  Die wöchentliche Arbeitszeit beträgt 10-20 Stunden. Die Betreuung ist in Teilzeit vorgesehen.

  Mit ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien sowie auf die Verwertung der Ergebnisse in Wirtschaft und Industrie spielt die Fraunhofer-Gesellschaft eine zentrale Rolle im Innovationsprozess. Als Wegweiser und Impulsgeber für innovative Entwicklungen und wissenschaftliche Exzellenz wirkt sie mit an der Gestaltung unserer Gesellschaft und unserer Zukunft.

Ihr Profil

• Laufendes Studium vorzugsweise im ingenieur- / naturwissenschaftlichen Bereich oder in einer verwandten Studienrichtung

• Eine schnelle Auffassungsgabe

• Sehr gute Sprachkenntnisse in Deutsch und Englisch

Kontakt

Betreuer Fraunhofer IOSB-AST: Dr.-Ing. Susanne Sumi

Kontakt: Susanne Sumi, susanne.sumi@iosb-ast.fraunhofer.de

Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

www.iosb.fraunhofer.de