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Funktionsweise der Strukturoptimierung

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Funktion der Strukturoptimierung

Bei einer Strukturoptimierung wird nicht nur der Betrieb des Energiesystems, sondern auch die Größe ausgewählter Anlagen optimiert. Auf diese Weise können Sie die geeignete Dimensionierung bestimmen und strategische Entscheidungen über die Investition in eine neue Anlage unterstützen. Mit Hilfe der Strukturoptimierung können Sie zum Beispiel optimale Größen für BHKW und AKM in Kraft-Wärme-Kälte-Kopplungssystemen oder für Photovoltaik-Anlagen und Speicher in Inselnetzen bestimmen.

Legen Sie für eine Komponente durch Aktivieren des Buttons Strukturell optimieren im Komponentenribbon (Gruppe Features) fest, dass ihre Größe durch die Strukturoptimierung bestimmt werden soll (siehe folgende Abbildung).

Im Formular der Komponente erscheinen drei zusätzliche Eingabefelder (siehe folgende Abbildung).

Zuerst ist festzulegen, ob die Anschaffung der Anlage verpflichtend ist. Ist sie nicht verpflichtend, bleibt bei der Optimierung der Freiheitsgrad, die Anlage nicht zu installieren, wenn sich die Investition nicht lohnt.

Wird eine Komponente als Ergebnis der Strukturoptimierung wegen Unwirtschaftlichkeit nicht realisiert, sind die Auslegungsgrößen im Ergebnis gleich 0.

Der mögliche Leistungsbereich der Anlage ist durch die Angabe der minimalen und der maximalen Nennleistung zu begrenzen.

Wie die Eingabedaten für die Strukturoptimierungskomponenten eingegeben werden, lesen Sie in dem verlinkten Artikel.

Simulationsschritte

Die Simulation mit Strukturoptimierungskomponenten unterscheidet sich für einen einzelnen Simulationsknoten in der Bedienung nicht von herkömmlichen Simulationen. Programmintern wird allerdings eine zweistufige Optimierung durchgeführt:

  • Strukturoptimierung: Zunächst wird die Größe der Anlagen in einem Optimierungsproblem berechnet.
  • Betriebsoptimierung: Dann wird eine Betriebsoptimierung mit den vorher berechneten Anlagengrößen durchgeführt.

Der genaue Simulationsablauf wird in dem verlinkten Artikel beschrieben.

Von der Verwendung des Szenarienmanagers in Kombination mit Strukturoptimierung wird abgeraten. Wie Sie dennoch schrittweise eine Strukturoptimierung für mehrere Stützjahre durchführen können, beschreibt der Artikel zum Szenarienmanager.

Einstellungen der Strukturoptimierung

Im Simulationsformular unter Einstellungen → Strukturoptimierung → Vorgaben nehmen Sie Einstellungen für die Strukturoptimierung im Rahmen des im Projektexplorer markierten Simulationsknotens vor. Diese Einstellungen werden im Projekt gespeichert.

Wählen Sie mit dem Modus, ob die Optimierung Einfach (einkriteriell) oder Mehrkriteriell ist. Für eine mehrkriterielle Strukturoptimierung wählen Sie eine Lösung aus den Ergebnissen aus, die nach der Strukturoptimierung unten in diesem Formular angezeigt werden. Für die folgenden Simulationen legen Sie fest, ob die Ergebnisse jeweils neu zu berechnen sind (nur relevant bei getrennter Vor- und Hauptstufe).

Bestimmen Sie die wirtschaftlichen Randbedingungen Zinssatz und Anzahl der Perioden in Jahren (Betrachtungszeitraum, siehe folgende Abbildung). Die Periodendauer ist auf ein Jahr festgelegt und lässt sich nicht ändern. Aktivieren Sie die Jahresübergreifende Preisänderung, werden Preissteigerungsraten, Reinvestitionskosten und auslaufende Zahlungen (aus dem Stromtarif KWK-EEG-Zuschlag) in der Strukturoptimierung gemittelt berücksichtigt und die Kosten bzw. Erlöse auf das Startjahr auf- oder abgezinst. Wenn diese Funktion deaktiviert ist, berechnet die Strukturoptimierung das optimale Energiesystem für das Startjahr.

Klicken Sie in das dafür vorgesehene Kästchen, wenn Sie eine Eigene komprimierte Zeitreihe verwenden. Anderenfalls wählen Sie eine Kompressionsstufe für die Zeitreihenkomprimierung. Beachten Sie dabei die Hinweise zur Zeitreihenkompression im Artikel über die Prozessschritte der Strukturoptimierung.

Weitere allgemeine Parameter der Strukturoptimierung werden im Simulationsribbon vorgegeben: Legen Sie die Gap in % und die Zeit für den Abbruch in Sekunden für die Hauptstufe und ggf. für die Vorstufe fest.

Zielfunktion

Wählen Sie über den Split Button der Gruppe Strukturoptimierung im Simulationsribbon die Zielfunktion:

die Annualisierten Gesamtkosten, die  Investitionskosten oder der  Kapitalwert.

Standardmäßig wird in der Strukturoptimierung nach Annualisierten Gesamtkosten optimiert.

Zwischen den Zielfunktionsbeiträgen für die Strukturoptimierung gilt folgender Zusammenhang:

\(Kapitalwert = Investitionskosten + RBF \cdot Betriebskosten\)
\(Annualisierte\ Gesamtkosten = Kapitalwert / RBF \)

Hierbei bezeichnet RBF den Rentenbarwertfaktor, welcher sich aus dem gewählten Zinssatz i für jedes Jahr des Betrachtungszeitraums und der Anzahl der Perioden in Jahren T ergibt:

\(RBF(i,T)={\frac {(1+i)^{T}-1}{(1+i)^{T}\cdot i}} \)

 

Für die Standardwerte 4 % Zinssatz und 10 a Betrachtungszeitraum beträgt der Barwertfaktor 8,11 a. Allgemein entscheidet der Faktor darüber, wie stark bei der Dimensionierung höhere Investitionskosten durch Ersparnisse in den jährlichen Betriebskosten aufgehoben werden. Die Einsparungen in den Betriebskosten werden dabei mit dem vorgegebenen Zinssatz abgezinst.

Ergebnisse der Strukturoptimierung

Die Ergebnisse der Strukturoptimierung für die Variablen der Komponenten werden für die einzelnen Variablen sowohl im Simulator-Fenster ab Log-Level 3 Details (siehe folgende Abbildung) als auch nach der erfolgreichen Simulation im Simulationsformular unter Einstellungen → Strukturoptimierung in einer Tabelle angezeigt (siehe übernächste Abbildung).

Nachdem eine Simulation durchgeführt wurde, kann der Betrieb der Anlagen bei gleichbleibender Struktur modifiziert werden. Es spart Zeit, wenn in der nächsten Simulation nur eine Betriebsoptimierung auf der Basis der bereits berechneten Strukturoptimierung (Dimensionierung der Strukturoptimierungskomponenten) durchgeführt wird.

Deaktivieren Sie dazu im Formular des Simulationsknotens die Funktion Ergebnisse neu berechnen (entfernen Sie mit einem Klick das Häkchen aus dem Kästchen).

Video

Weitere Informationen über die Strukturoptimierung erhalten Sie in dem Grundlagenschulungsvideo zur Strukturoptimierung, das Sie im Browser ansehen oder als mp4-Datei herunterladen können.
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