TY  - THES
T1  - Modelle und Lösungsverfahren zur langfristigen Planung der Stromproduktion einer flexiblen Biogasanlage unter Berücksichtigung von Verschleiß
A1  - Butemann,Hendrik
Y1  - 2021/12/20
N2  - Eine der wichtigsten Maßnahmen im Kampf gegen den Klimawandel stellt der Umstieg von fossilen auf erneuerbare Energien dar. Viele Länder haben es sich daher zum Ziel gemacht, den Anteil der erneuerbaren Energien zur Stromerzeugung zu erhöhen. In Deutschland betrug der Anteil im Jahr 2019 40,2 %, wobei Biomasse 20,6 % davon ausmachte. Zu dieser Kategorie gehören Biogasanlagen, die im Gegensatz zu anderen Quellen erneuerbarer Energie den Vorteil haben, nicht von bestimmten Wetterbedingungen abhängig zu sein. Sie gelten als flexible Option zur Stromerzeugung, weil sie auch Strom produzieren können, wenn weder die Sonne scheint noch Wind weht. Als die ersten Biogasanlagen in Betrieb genommen wurden, konnten die Erlöse aus der Stromproduktion maximiert werden, indem das der Biogasanlage zugehörige Blockheizkraftwerk (BHKW) durchgängig Strom erzeugte. Um die Vorteile der Flexibilität von Biogasanlagen auszunutzen, führte der Gesetzgeber in Deutschland Prämien ein, die Anreize zur Stromproduktion in Zeiten eines geringen Angebots aus anderen erneuerbaren Energiequellen beinhalten. Seitdem können Biogasanlagenbetreiber ihre Erlöse maximieren, wenn das BHKW bedarfsorientiert Strom produziert, d. h. im Start- Stopp-Betrieb. Eine Vielzahl an Starts und Stopps des BHKW verursacht jedoch einen erhöhten Verschleiß und muss bei der langfristigen Planung der Stromproduktion einer Biogasanlage berücksichtigt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es daher, mithilfe von Methoden des Operations Researchs zyklische Pläne zur Stromproduktion von Biogasanlagen zu entwickeln, die den Verschleiß des BHKW und die Zeitpunkte und Kosten für Instandhaltungsmaßnahmen berücksichtigen, um Betreiber von Biogasanlagen bei der Erlösmaximierung zu unterstützen. Dazu erfolgt zunächst eine Einordnung der Stromproduktionsplanung von Biogasanlagen in die Planungsaufgaben entlang der biomassebasierten Supply Chain. Anschließend werden die Grundlagen zu Biogasanlagen erläutert, zu denen die Bedeutung dieser in Deutschland, die Funktionsweise, die Wartung und Instandhaltung sowie die rechtlichen Rahmenbedingungen zum Betrieb gehören. Die Forschungslücke, die von dieser Arbeit geschlossen wird, ergibt sich aus dem Literaturüberblick zu quantitativen Ansätzen für den Betrieb von Biogasanlagen. Dieser zeigt, dass es noch keine wissenschaftliche Arbeit gibt, die den Verschleiß von BHKW im flexiblen Betrieb und die Planung der Instandhaltungsmaßnahmen in Verbindung mit der Stromproduktion ausreichend thematisiert. Daher wird im Anschluss ein konzeptionelles Optimierungsmodell entwickelt, das den in der Realität nicht-linearen Verschleiß präzise abbildet und so eine simultane Planung der Stromproduktion und der Instandhaltungsmaßnahmen ermöglicht. Zur besseren Lösbarkeit mit Standardsolvern wird das Modell zusätzlich linearisiert. Eine an Praxisdaten angelehnte Case Study offenbart, dass eine flexible Biogasanlage unter den in Deutschland herrschenden Rahmenbedingungen auch unter Berücksichtigung der Instandhaltungskosten höhere Gesamterlöse erzielt als eine kontinuierlich betriebene Biogasanlage. Das konzeptionelle Optimierungsmodell wird daraufhin so erweitert, dass als Ergebnis ein zyklischer Plan entsteht, den Betreiber von Biogasanlagen wöchentlich anwenden können. Im darauffolgenden Kapitel werden eine Greedy-Heuristik zur Ermittlung einer Startlösung sowie ein Genetischer Algorithmus und eine Tabu-Suche entwickelt mit dem Ziel der Verkürzung der Rechenzeit bei der Lösung des erweiterten Modells. Dafür erfolgt zunächst die Erklärung der Grundlagen zu den einzelnen Lösungsverfahren und die Anpassung der Eingangsdaten an die Problemstellung mithilfe eines Parametertunings. Eine umfangreiche numerische Studie, in der zur Generierung unterschiedlicher Szenarien die Inputparameter Strompreise, Kosten für Instandhaltungsmaßnahmen, Abnutzung des BHKW und Biogasspeicherkapazität variiert werden, vergleicht die Leistungsfähigkeit der Verfahren mit der des erweiterten Optimierungsmodells. In allen Szenarien ermittelt die Tabu-Suche in geringer Laufzeit das beste Ergebnis. Eine Zusammenfassung und ein Ausblick auf weitere Forschungsmöglichkeiten beschließen die Arbeit.
KW  - Bioökonomie
KW  - Biogas
KW  - Optimierung
KW  - Heuristik
KW  - Produktionsplanung
CY  - Hohenheim
PB  - Kommunikations-, Informations- und Medienzentrum der Universität Hohenheim
AD  - Garbenstr. 15, 70593 Stuttgart
UR  - http://opus.uni-hohenheim.de/volltexte/2021/1974
ER  -