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Jahresbericht 2007 - FGE - RWTH Aachen University

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Druckstufenübergreifende Planung von Gasverteilungsnetzen Long-Term Planning of Natural Gas Distribution Networks Dipl.-Ing. Michael Hübner michael.huebner@iaew.rwth-aachen.de 1 Einleitung Durch die Regulierung der deutschen Gas- und Strommärkte hat sich der Kostendruck auf die Netzbetreiber erhöht. Insbesondere sind die Gasnetzbetreiber gezwungen, die Effizienz ihrer Netze zu erhöhen, um bei sinkenden Netzentgelten im Quervergleich zu konkurrierenden Netzbetreibern bestehen zu können. Das größte Kostensenkungspotenzial weist der Verteilungsbereich auf, da sich hier einerseits im Gegensatz zum Fernleitungsnetz größere Freiheitsgrade bei der Netzplanung bieten und dieser Netzbereich andererseits den größten Anteil der Gesamtkosten ausmacht [1]. Daher liegt der Fokus dieser Arbeit auf der Entwicklung eines Grundsatzplanungsverfahrens, das sowohl eine Strukturoptimierung als auch eine optimale Dimensionierung der Betriebsmittel von Gasverteilungsnetzen ermöglicht. Erste Analysen haben zudem gezeigt, dass zwischen aufeinander aufbauenden Druckebenen eines Gasnetzes starke Wechselwirkungen bestehen, die unter Umständen großen Einfluss auf den Netzpla- FORSCHUNGSPROJEKTE Die Einführung einer Regulierungsbehörde für Strom- und Gasnetze in Deutschland hat zu einem erhöhten Kostendruck auf die Netzbetreiber geführt. Daher müssen insbesondere Gasnetzbetreiber, deren Fokus bislang insbesondere auf der Einhaltung der vom Deutschen Verband für Gas und Wasser (DVGW) geforderten technischen Sicherheit gelegen hat, Kostensenkungspotenziale im Bereich der Netzstruktur aufdecken. Die Reduzierung kurzfristig beeinflussbarer Kosten – beispielsweise durch Verringerung des Instandhaltungsaufwands oder den Verzicht auf notwendige Investitionen – bietet nur ein begrenztes Kostensenkungspotenzial, falls das hohe Zuverlässigkeits- und Sicherheitsniveau existierender Netze auch zukünftig gewährleistet werden soll. Sinnvoller ist der Ansatz, durch Verbesserung des Netzplanungsprozesses effiziente Netze zu ermitteln, die im Vergleich mit existierenden Netzen bei geringeren Kosten eine zumindest gleichwertige Versorgungsqualität und -sicherheit bieten. Daher ist der Einsatz eines rechnergestützten Netzplanungswerkzeugs zur objektiven Ermittlung langfristig kosteneffizienter Netzstrukturen notwendig. Bislang existieren keine Werkzeuge zur geschlossenen Planung von Gasverteilungsnetzen unterschiedlicher Druckstufen. Vorrangiges Ziel dieser Arbeit ist daher die Entwicklung eines rechnergestützten Verfahrens zur druckstufenübergreifenden Grundsatzplanung von Gasverteilungsnetzen. The cost pressure on distribution companies has increased as a result of the upcoming regulatory framework in the German power and gas markets. Therefore in particular gas network operators, who focused mainly on the compliance of the technical safety proposed by the German Technical and Scientific Association for Gas and Water, need to reveal potentials for a cut down in the field of network planning. The reduction of directly controllable costs in the short-term – e.g. a decline in maintenance work or an abandonment of investments – provides a limited lowering of costs if the high reliability and safety standards of existing networks should be maintained. A refinement of the network planning process seems a sensible approach in order to determine efficient networks which provide for an equivalent level of reliability and technical safety as the existing network and at the same time lower costs,. Therefore the application of a computer-based network planning instrument for the objective determination of long-term cost-efficient networks is necessary. So far, no instrument exists for the integrated planning of gas distribution networks with different pressure stages. Hence, this work aims on the development of a computer-based technique for the integrated planning of gas distribution networks with variable pressure stages. nungsprozess haben können. Desweiteren stellt die Netzstruktur, z. B. Ring-, Strang-, Strahlen- und Maschennetzstruktur, einen Freiheitsgrad bei der Planung von Gasverteilungsnetzen dar. Die Zuordnung von Netzstruktur zu den gewählten Druckstufen muss in Abhängigkeit von der Versorgungsaufgabe, den unternehmensinternen Vorgaben hinsichtlich der minimal einzuhaltenden Versorgungszuverlässigkeit und den Mehrkosten bei Erhöhung des Vermaschungsgrades erfolgen. 1.1 Systemabgrenzung Der Gastransport von den Explorationsfeldern bis zu den Endkunden kann grob in zwei Netzebenen – das Fernleitungs- und das Verteilungsnetz – eingeteilt werden. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf den Druckebenen Nieder-, Mittel- und Hochdruck bis zu einem Druckniveau von ca. 25 bar (siehe Bild 1). IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007 73

FORSCHUNGSPROJEKTE Druckregler Systemgrenze Fernleitungsnetz Bild 1: Betrachteter Systembereich Speicher Regionale Verteilung Städtische Verteilung 2 Grundsatzplanung von Gasverteilungsnetzen Grundlage für die Ermittlung kosteneffizienter Netzstrukturen, so genannter Zielnetze, ist eine vollständige Beschreibung der Randbedingungen und Freiheitsgrade der Netzplanung. Die einzelnen Eingangsdaten werden im Folgenden kurz diskutiert. 2.1 Technische Randbedingungen Die Versorgungsaufgabe ist charakterisiert durch die geographische Lage und Abnahmemenge der zu versorgenden Kunden sowie mögliche Einspeisepunkte und das an diesen Punkten beziehbare Gasvolumen. Technische Mindestanforderungen beschreiben die minimal und maximal zulässigen Drücke, die für jeden Knoten getrennt definiert werden können, sowie zulässige Volumenströme und Strömungsgeschwindigkeiten in Rohrleitungen und innerhalb von Druckreglern in Abhängigkeit von den verwendeten Betriebsmitteltypen. Unternehmensspezifische Planungsgrundsätze sind Restriktionen, die über die technischen Mindestanforderungen hinausgehen. Über die Vorgabe des maximal zulässigen Druckverlustes im Netz kann beispielsweise der Vermaschungsgrad der zu ermittelnden Zielnetze und damit die Versorgungszuverlässigkeit beeinflusst werden. Die Versorgungssicherheit wird allein durch die technischen Mindestanforderungen beschrieben. Werden unternehmensspezifische Planungsgrundsätze bei der Zielnetzoptimierung berücksichtigt, muss daher vorab oder in Variantenrechnungen sorgfältig geprüft werden, welche zusätzlichen Kosten durch diese Vorgaben entstehen. 2.2 Freiheitsgrade Für die Ermittlung der Zielnetze, welche die gegebene Versorgungsaufgabe unter den zu beachtenden Randbedingungen mit minimalen Kosten erfüllen, müssen die nutzbaren Trassen und mögliche Standorte für Reglerstationen im Versorgungsgebiet bekannt sein. Die zur Verfügung stehenden Betriebsmitteltypen sind dabei ebenfalls Eingangsdatum der Netzoptimierung. Aufgabe der Netzoptimierung ist dann die Auswahl der zu realisierenden Trassen und Standorte bei gleichzeitig optimaler Dimensionierung der Betriebsmittel. In Gasverteilungsnetzen existieren erhebliche Freiheitsgrade bei der Dimensionierung der Betriebsmittel. Dies führt zu starken Wechselwirkungen zwischen einzelnen Netzebenen, da Transportaufgaben überlagerter Ebenen durch stärkere Dimensionierung der Rohre in unterlagerte Ebenen verlagert werden können und umgekehrt. Da die Investitionskosten für den Bau einer Rohrleitung nicht proportional mit dem Querschnitt des Rohres steigen, lässt sich vor Beginn der Optimierung häufig nicht eindeutig festlegen, welche funktionalen Netzebenen in dem betrachteten Netzgebiet realisiert werden sollten. Zudem ist die Auswahl der optimalen Nenndrücke weitestgehend unabhängig von den verwendeten Rohrleitungsquerschnitten, so dass auch diese Planungsentscheidungen ein Ergebnis der Optimierung darstellen. Dem Netzoptimierungsverfahren wird daher nur die maximal zulässige Anzahl funktionaler Netzebenen ohne Angabe von Nenndrücken vorgegeben. Die in den einzelnen Ebenen verwendeten Nenndrücke ergeben sich durch die Dimensionierung der Druckregler, die über ihren Ausspeisedruck den Druck im Netz beeinflussen. Dadurch ist es grundsätzlich möglich, dass Regler mit unterschiedlichen Ausspeisedrücken in eine gemeinsame Netzebene einspeisen, was beispielsweise zur Versorgung einer lokal erhöhten Lastdichte sinnvoll sein kann. Ergebnis der Optimierung kann jedoch insbesondere auch ein vollständiger Verzicht auf einzelne Netzebenen sein, falls die Realisierung dieser Netzebenen zu zusätzlichen Kosten führt. 2.3 Verwendeter Optimierungsalgorithmus In der Literatur lassen sich verschiedene Verfahren zur Grundsatzplanung von Gasverteilungsnetzen finden, die zur Lösung eingeschränkter Fragestellungen eingesetzt werden können [2]. Der Großteil der Arbeiten basiert auf so genannten heuristischen Verfahren, die iterativ mehrere ähnlich kostengünstige Lösungen für die gestellte Planungsaufgabe in kurzer Rechenzeit ermitteln. Der limitierende Faktor dieser Arbeiten lässt sich bei der Ausgestaltung der Systemgrenze und des Optimierungsalgorithmus finden, da die bisherigen Arbeiten weder in der Lage sind, unterschiedliche an die Versorgungsaufgabe angepasste Netzstrukturen zu entwerfen, noch eine integrierte Optimierung der Druckebenenwahl zu gewährleisten. Um die beiden letztgenannten Punkte aufzunehmen, wurde in dieser 74 IAEW – FGE – JAHRESBERICHT 2007

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