Receding-horizon operational planning for a hybrid hydrogen-battery storage system using mathematical optimization

Mit dem stetig ansteigenden Anteil volatiler, erneuerbarer Energiequellen an der Stromerzeugung wird auch die zeitliche Diskrepanz zwischen Strombedarf und -verfügbarkeit verstärkt. Das spiegelt sich auch im kontinuierlich variierenden Strompreis wider. Eine Möglichkeit, dem entgegenzuwirken, ist die Nutzung von Energiespeichern. Um komplexe Energiesysteme mit mehreren Energiespeichern effizient betreiben zu können, ist die Nutzung fortschrittlicher Betriebsplanungsstrategien sinnvoll. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit einem industriellen Energiesystem, das aus einem Batterie- und einem Wasserstoffspeichersystem, PV-Modulen, einer Windkraftanlage, Stromverbrauchern und einem Anschluss an das öffentliche Stromnetz besteht. Um die Energiekosten zu minimieren, wird ein Regelsystem entwickelt, das mathematische Optimierung im Rahmen eines Receding-Horizon-Ansatzes verwendet. Als Optimierungsmethode wird die gemischt-ganzzahlige lineare Programmierung (eng. MILP) verwendet, wobei die Eingangsdaten aus einer Prognose für Stromerzeugung, -bedarf und -preis bestehen. Das Regelsystem wird in einer Simulation des Energiesystems getestet und mit einer konventionellen regelbasierten Steuerung verglichen. Außerdem wird ein Skalierungskonzept entwickelt, das die Erprobung des Regelsystems im Labormaßstab ermöglicht. Abschließend wird das MILP-Regelsystem experimentell am Wasserstoffspeichersystem einer Laboranlage getestet. Die Simulationsergebnisse zeigen eine signifikante Reduktion der Energiekosten bei Verwendung des MILP-optimierten Regelsystems im Vergleich zur regelbasierten Steuerung. Bezüglich der Skalierung des Energiesystems hat sich gezeigt, dass ein gesamtheitlicher Ansatz zur gleichzeitigen Skalierung des gesamten Systems nicht praktikabel ist. Um das Regelsystem im Labormaßstab zu testen, wurde der Fokus daher auf den Ladezustand des Wasserstoffspeichersystems gelegt. Im Laborexperiment reagierte der Receding-Horizon-Ansatz auf auftretende betriebliche Abweichungen des Energiesystems effektiv durch Anpassung des optimalen Verlaufs der relevanten Größen. Unter Berücksichtigung der Einschränkungen des durchgeführten Experiments deuten die Ergebnisse darauf hin, dass eine MILP-optimierte Betriebsplanung mit Receding-Horizon-Ansatz praktisch auf reale Energiesysteme anwendbar ist.