Entwicklung eines Modells zur gemischt-ganzzahligen linearen Optimierung der Auslegung und des Betriebs denzentraler Solar Organic Rankine Cycle Anlagen

In der vorliegenden Arbeit wird ein Optimierungsmodell entwickelt, mit dem gleichzeitig eine konzeptionelle Auslegung und der dazugehörige Betrieb einer dezentralen Organic Rankine Cycle (SORC) Anlage bestimmt werden. Anhand eines Fallbeispiels wird demonstriert, wie die Stromversorgung in einer netzfernen, sonnenreichen Region sichergestellt werden kann. Dies kann entweder konventionell mit einem Dieselgenerator oder mit einer SORC-Anlage in Kombination mit diesem erfolgen. Dabei soll eine Auslegung der SORC-Anlage gefunden werden, welche Stromversorgung des Dieselgenerators wirtschaftlich vorteilhaft ergänzt. Für die Auslegung von SORC-Anlagen zur dezentralen Stromversorgung fehlten bislang zielführende Methoden. Bisher wurden in Forschungsarbeiten SORC-Anlagen simuliert oder einzelne Komponenten optimiert. Da noch keine Erfahrungswerte auf Basis von gebauten Anlagen für eine geeignete Auslegung vorhanden sind, wird in dieser Arbeit als Ansatz eine Optimierung gewählt. Dabei berücksichtigt das entwickelte Modell erstmals Lastprofile und die gleichzeitige Optimierung von Auslegung und Betrieb. Optimierungsansätze dieser Art gibt es bisher weder für SORC-Anlagen, die den Schwerpunkt dieser bilden, noch für verwandte Aufgabenstellungen bei Wasserdampfkraftwerken. Die Optimierung von Auslegung und Betrieb der SORC-Anlage erfolgt in der vorliegenden Arbeit mithilfe der gemischt-ganzzahligen linearen Programmierung (GGLP). Dadurch ist das Auffinden des globalen Optimums des Problems sichergestellt. Als Zielfunktion für das Fallbeispiel dient in Anlehnung an die Kapitalwertmethode eine Barwertdifferenz. Diese bildet sich aus den abgezinsten Barwerten der Investitions-, Betriebs- und Wartungsausgaben beider Investitionsmöglichkeiten zur Stromversorgung (reiner Dieselbetrieb und kombinierter Betrieb von Dieselgenerator und SORC-Anlage). Durch die Minimierung der anfallenden Ausgaben kann im Optimierungsmodell direkt ermittelt werden, welche der beiden Möglichkeiten wirtschaftliche vorteilhafter ist. Mithilfe von veränderlichen Variablenschranken und auswählbaren Kennfeldern wird die gelichzeitige Optimierung von Auslegung und Betrieb umgesetzt. Das Modell erfasst neben dem Einfluss der Umgebungstemperatur auch das durch die Eingangsleistung bedingte Teillastverhalten der Organic Rankine Cycle Anlage. Zur ausreichenden Reduzierung der Rechenzeit wird die Variablenanzahl zum einen durch Einführung stündlicher Zeitschritte und zum anderen durch die Verwendung charakteristischer Tage verringert. Die Funktionsfähigkeit des Optimierungsmodells wird anhand einer Sensitivitätsanalysedemonstriert. Hierbei zeigt sich, dass neben der verfügbaren Solarstrahlung die Investitionsausgaben für das Kollektorfeld und die Betriebsausgaben für den verbrauchten Dieselbrennstoff den größten Einfluss auf die Vorteilhaftigkeit der SORC-Anlage im Fallbeispiel haben. Bei niedrigen spezifischen Aushaben für das Kollektorfeld oder hohen Ausgaben für die erzeugte Kilowattstunde Strom des Dieselgenerators steigt der Vorteil einer zusätzlichen SORC-Anlage. Weiterhin zeigt sich, dass bei dem hohen Freiheitsgrad der Optimierung viele lokale Optima auftreten, sodass die GGLP die geeignete Methode zum Auffinden des globalen Optimums darstellt.