Energiemanagement im Verbund

Ist eine übergeordnete Optimierung von
Talsperre – Aufbereitung – Verteilung möglich?

Eine übergeordnete Optimierung des Verbundsystems ist möglich, wobei die Priorität in der Optimierung der Systeme aufeinander abgestimmt werden muss. Dies bedarf einer komplexen integralen Analyse mit Hilfe von Software, die Vorarbeiten, vor allem im Bereich Verteilung, zwingend voraussetzt.

Wasserturm mit Speicher, AdobeStock 23626491, 2010

© AdobeStock

Untersuchungsmethoden und Tools

In einem ersten Schritt müssen die drei Teilsysteme Talsperren, Aufbereitung, Verteilung in Einzelbetrachtungen analysiert und danach vereinfacht werden. Die Einzelanalysen stellen eine notwendige Voruntersuchung dar.

Einen besonderen Stellenwert hat die Analyse des Verteilnetzes. Dort ist eine für das Verteilnetz typische Kennlinie zu ermitteln, die Durchfluss mit Energie verknüpft. Dazu sind Berechnungen des Verteilnetzes mit unterschiedlichen Durchflüssen erforderlich. Die resultierende Kennlinie hat zum Ziel, das Verhalten des Verteilnetzes in Bezug auf Energie auf eine simple Übertragungsfunktion zu reduzieren. Übertragungsfunktionen sind funktionale Beziehungen, die einen Durchfluss in das Teilsystem mit dem resultierenden Energiebedarf bzw. Energieerzeugung koppeln. Dabei müssen die Übertragungsfunktionen so ausgelegt sein, dass unmögliche Anforderungen oder nicht plausible physikalische Randbedingungen klar erkannt und als „keine Lösung“ identifizierbar sind.

Wichtig ist, dass dies zeitschrittbezogen geschieht, d.h. für einen Zeitschritt von einer Stunde der Energiebedarf/die Energieerzeugung des Teilsystems per Übertragungsfunktion zurückgegeben wird.

Abgesehen vom Teilsystem Verteilnetz ist dies für die Talsperre und die Aufbereitung so nicht erforderlich, da beide Teilsysteme direkt gekoppelt werden könnten. Voraussetzung dafür ist die Anwendung einer Software zur Talsperrensimulation zusammen mit der Anwendung des Tools zur Energieoptimierung von Wasserwerken, welches in den vorherigen Kapiteln beschrieben wird.
Ist die Kennlinie aus dem Verteilnetz ermittelt und Talsperre, Aufbereitung plus Kennlinie gekoppelt, können Szenarien simuliert werden, die als Ergebnis die Gesamtenergiebilanz ausgeben.

Für die Untersuchung der Verbundwirkung gibt es prinzipiell zwei Optionen, die bei Bedarf zu kombinieren sind:

  • Tagesgangbetrachtung, 24h
  • Betrachtung eines beliebigen Jahres in Stundenauflösung

Mit der Tagesgangbetrachtung können Szenarien extrem schnell durchgeführt und optimiert werden. Mit der zweiten Option lassen sich Volumina von eventuell benötigten Zwischenspeichern ermitteln. Für beide Optimierungsoptionen wird die sogenannte Evolutionsstrategie verwendet.

Beispiele und Potenziale

Für die Verbundbetrachtung (Abbildung 2) wurde das in gemeinsamer Arbeit entwickelte Tool zur energetischen Modellierung der Wasseraufbereitung mit vereinfachten Talsperrensystemen und Verteilnetzen gekoppelt.

Als Start für die Optimierung wurden die Szenarien aus den Teilsystemen Talsperre, Aufbereitung, Verteilung gewählt, die in Summe die höchsten Einsparungen ergaben. Dabei stellte sich ein, dass der optimierte Zustand für das Verteilnetz in Verbindung mit einer konstanten Abgabe aus der Talsperre und einem realen Tagesgang nachempfundenen Verlauf für die Aufbereitung die beste Lösung ergab.

Die Fortsetzung der Verbundbetrachtung bestand darin, beliebige Lastverschiebungen, d.h. Durchsätze als Tagesgangmuster, zu optimieren. Auch hier war das Ziel, höchste Einsparungen zu erzielen.

Dabei stellte sich ein, dass sich die Talsperrenabgabe einer konstanten Abgabe nähert, die Aufbereitung schwerpunktmäßig die Nachtstunden mehr ausnützt, d.h. höheren Durchsatz fährt und das Verteilnetz sehr nahe am eigenen Optimum betrieben wird.

Grafik zur Verbundbetrachtung, IWW 2017

Abbildung 2:  Verbundbetrachtung, IWW 2017

Fazit

Die Einsparpotenziale im Verteilungsnetz dominieren das Gesamtsystem Talsperre – Aufbereitung – Verteilnetz. Dadurch stellt sich als optimaler Verbundbetrieb heraus, dass das Gesamtsystem versuchen sollte, die Vorgaben aus dem Verteilungsnetz möglichst zu erfüllen. Damit kann im Verteilnetz das Potenzial an Einsparung maximiert werden, bei geringer Anpassung der Lastverschiebung in der Aufbereitung. Bei der Nutzung der Energiepotenziale der Talsperre muss damit differenziert werden zwischen der Abgabe in Unterwasser und der Abgabe zur Aufbereitung.

Die Hebung der Energiepotenziale durch Dynamisierung ins Unterwasser bleibt von einer Verbundbetrachtung weitgehend unbeeinflusst. Die Abgabe zur Aufbereitung sollte jedoch konstant erfolgen. Eine energetische Nutzung dieses Teils der Wasserabgabe aus der Talsperre muss sich auf eine Optimierung der Turbinierung konzentrieren (Turbinenauswahl und Dimensionierung auf die spezifischen Kenngrößen für eine konstante Abgabe).

Vertiefende Literatur

  • ENERWA Abschlussbericht