Optimization Methods for Integrating Energy and Production Systems

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Die wichtigste Maßnahme zur Verminderung des Klimawandels ist die Reduzierung der Treibhausgasemissionen. Eine Schlüsselrolle hierbei spielt die energieintensive Industrie, da der industrielle Sektor große Mengen an Treibhausgasen emittiert. Ein Großteil dieser Treibhausgasemissionen wird durch den Energieverbrauch verursacht. Daher ist eine effizientere Energieversorgung der Industrie notwendig. An großen industriellen Standorten versorgen oft dezentrale Energiesysteme die Produktionssysteme. Beide Systeme optimieren dabei den Betrieb hinsichtlich einer Zielfunktion wie beispielsweise Betriebskosten oder Gewinn. Die vorliegende Arbeit präsentiert Optimierungsmethoden für solche industrielle Standorte. Die Optimierungsmethoden berücksichtigen dabei unterschiedliche Beziehungen zwischen den Systemen, wobei zwei Fälle unterschieden werden: Im ersten Fall verfolgen die Systeme die gleiche Zielfunktion, im zweiten Fall individuelle Zielfunktionen. Eine gleiche Zielfunktionen besteht beispielsweise, wenn beide Systeme einem Unternehmen angehören. Individuelle Zielfunktionen bestehen, wenn beide Systeme beispielsweise unterschiedlichen Unternehmen angehören. Für den Fall, dass Energie- und Produktionssystem das gleiche Ziel verfolgen, wird eine Methode für das integrierte Design beider Systeme präsentiert und eine Methode für die integrierte Bereitstellung von Regelenergie. Für den Fall, dass Energie- und Produktionssystem individuelle Zielfunktionen verfolgen, werden wiederum zwei Fälle unterschieden: unvollständiger und vollständiger Informationsaustausch. Für den unvollständigen Informationsaustausch wird eine Optimierungsmethode für die Koordination zwischen einem Energie- und einem Produktionssystem vorgestellt. Diese Optimierungsmethode wird anschließend für den Fall mehrerer Energie- und Produktionssysteme weiterentwickelt. Liegt vollständiger Informationsaustausch zwischen den Systemen vor, wird ein Bilevelproblem formuliert. Für die Lösung des Bilevelproblems wird ein existierender Lösungsalgorithmus angepasst. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden werden auf Fallstudien angewandt und Vor- und Nachteile untersucht. Die Fallstudien zeigen, dass keine Methode in allen identifizierten Beziehungen zwischen den Systemen die für das Produktionssystem optimale Lösung ermittelt.