Masterarbeit Martin Stiller

 

Modellprädiktive Regelung eines Geothermiefeldes zur kostenoptimalen Nutzung seines Wärme- und Kälteversorgungspotentials

Regelkreis der Geothermie-MPC Urheberrecht: EBC Regelkreis der Geothermie-MPC

Die jüngste Entwicklung im Energiesektor zeigt eine stetig wachsende Bedeutung der erneuerbaren Energien zur Begrenzung der Treibhausgasemissionen aus fossilen Brennstoffen. Der Gebäudesektor nimmt einen großen Anteil am Gesamtenergieverbrauch in Deutschland ein und bietet ein hohes Maß an Optimierungspotential. Erdwärmepumpen sind eine vielversprechende Technologie zur gleichzeitigen Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden. Im Vergleich zu anderen regenerativen Energiequellen wie Solarthermieanlagen kann das Erdreich ganzjährlich zu Heiz- oder Kühlzwecken genutzt werden.

Die Herausforderung bei der Nutzung des geothermischen Potenzials besteht darin, nur geringe Schwankungen der Bodentemperatur zuzulassen, damit das Potential des Erdreichs hinsichtlich seines Langzeitverhaltens nicht begrenzt wird. Das langsam reagierende Erdreichsystem und das dynamische Gebäudesystem müssen koordiniert werden. Ein vielversprechender Ansatz für diese Koordination ist die Modelprädiktive Regelung (MPC). Die MPC stützt sich auf dynamische Modelle des Prozesses, die in definierten Zeitfenstern immer wieder optimiert werden, während es möglich ist, zukünftige Vorhersagen wie Wetterprädiktionen zu berücksichtigen. So antizipiert die MPC den Bedarf des Gebäudes und optimiert sein Wärmeverhalten basierend auf festgelegten Regelzielen durch Minimierung einer Kostenfunktion. Eine besondere Art des MPCs ist die verteilte Modellprädiktive Regelung (DMPC). Diese berechnet jedes Subsystem-Modell separat, was gleichzeitig den Rechenaufwand reduzieren kann.

Das Ziel besteht darin, eine Möglichkeit zu entwickeln, mit der die kostenlose geothermische Energie langfristig und jederzeit genutzt werden kann und einen kostenoptimalen Betrieb bei niedrigen CO2-Emissionen der sekundären Versorger zu erreichen. Ein in früheren Arbeiten entwickelter DMPC-Algorithmus wird an die Nutzung eines Geothermiefeldes zur Gebäudeheizung und -kühlung angepasst. Je nach Bodenbeschaffenheit sowie Art und Weise der Nutzung des Gebäudes variieren die Vor- und Rücklauftemperaturen des Geothermiefeldes erheblich, weshalb eine maßgeschneiderte, individuelle Strategie erforderlich ist. Gebäudeindividuelle Energiebedarfskurven können zur Ableitung einer jährlichen Temperaturkurve für die Vorlauftemperatur in das Feld herangezogen werden. Die Nutzung des Geothermiefeldes orientiert sich an dieser Temperaturkurve, wobei Abweichungen von der optimierten Temperatur durch den MPC-Algorithmus bestraft oder belohnt werden.

Der in dieser Arbeit entwickelte Ansatz zur Erreichung eines nachhaltigen Betriebs des Feldes durch Bestrafungen und Belohnungen erweist sich als vielversprechend. Kostenfaktoren für vergangene, gegenwärtige und zukünftige Abweichungen werden vorgestellt. Durch unterschiedliche Gewichtung der Faktoren ist eine Einhaltung einer Soll-Erdreich-Trajektorie möglich. Die Sollwerttrajektorie wird durch eine Langzeitoptimierung aus gemittelten Gebäudelasten bereitgestellt, um eine Überhitzung oder Abkühlung des Feldes über mehrere Jahre zu verhindern. Die Kurzzeitoptimierung stellt sicher, dass die Bodentemperatur trotz dynamischer Gebäudelasten eingehalten und der Einsatz fossiler Brennstoffe reduziert wird.