Entwicklung und Anwendung einer Kraftwerks- und Speichereinsatzoptimierung für die Untersuchung von Energieversorgungsszenarien mit hohem Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland

In dieser Arbeit wurde ein gemischt-ganzzahliges lineares Einsatzoptimierungsmodell für Kraftwerke und Speicher aufgebaut und für die Untersuchung der Energieversorgung Deutschlands im Jahre 2050 gemäß den Leitstudie-Szenarien 2050 A und 2050 C ([Nitsch und Andere, 2012]) verwendet, in denen erneuerbare Energien einen Anteil von über 85 % an der Stromerzeugung haben und die Wind- und Solarenergie starke Schwankungen der durch steuerbare Kraftwerke und Speicher zu deckenden residualen Stromnachfrage (Residuallast) verursachen. In Szenario 2050 A sind 67 TWh Wasserstoff, die elektrolytisch aus erneuerbarem Strom zu erzeugen sind, für den Verkehr vorgesehen. In Szenario 2050 C ist kein Wasserstoff für den Verkehr vorgesehen und die effizientere Elektromobilität hat einen Anteil von 100% am Individualverkehr. Daher wird weniger erneuerbarer Strom zur Erreichung desselben erneuerbaren Anteils im Verkehrssektor benötigt. Da desweiteren Elektrofahrzeuge Lastmanagementpotentiale bieten, weisen die Residuallasten der Szenarien eine unterschiedliche zeitliche Charakteristik und Jahressumme auf. Der Schwerpunkt der Betrachtung lag auf der Ermittlung der Auslastung und Fahrweise des in den Szenarien unterstellten ’Kraftwerks’-parks bestehend aus Kraftwerken zur reinen Stromerzeugung, Kraft-Wärme-Kopplungskraftwerken, die mit Wärmespeichern, elektrischen Heizstäben und Gas-Backupkesseln ausgestattet sind, Stromspeichern und Wärmepumpen, die durch Wärmespeicher zum Lastmanagment eingesetzt werden können. Der Fahrplan dieser Komponenten wurde auf minimale variable Gesamtkosten der Strom- und Wärmeerzeugung über einen Planungshorizont von jeweils vier Tagen hin optimiert. Das Optimierungsproblem wurde mit dem linearen Branch-and-Cut-Solver der software CPLEX gelöst. Mittels sogenannter rollierender Planung wurde durch Zusammensetzen der Planungsergebnisse für überlappende Planungsperioden der Kraftwerks- und Speichereinsatz für die kompletten Szenariojahre erhalten. Es wurde gezeigt, dass der KWK-Anteil an der Wärmelastdeckung gering ist. Dies wurde begründet durch die zeitliche Struktur der Stromresiduallast, die wärmeseitige Dimensionierung der Anlagen und die Tatsache, dass nur eine kurzfristige Speicherung von Wärme vorgesehen war. Die wärmeseitige Dimensionierung der KWK stellte eine Begrenzung des Deckungsanteils dar, da im Winter bei hoher Stromresiduallast nur wenig freie Leistung zur Beladung der Speicher zur Verfügung stand. In den Berechnungen für das Szenario 2050 A und C lag der mittlere Deckungsanteil der KWK an der Wärmenachfrage von ca. 100 TWh_th bei 40 bzw. 60 %, obwohl die Auslegung der KWK einen theoretischen Anteil von über 97 % an der Wärmelastdeckung erlaubt hätte, gäbe es die Beschränkungen durch die Stromseite nicht. Desweiteren wurde die CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher und des Lastmanagements mit Wärmepumpen untersucht. In Szenario 2050 A ergab sich keine signifikante CO2-Vermeidungswirkung der KWK-Wärmespeicher, in Szenario 2050 C hingegen ergab sich eine geringe aber signifikante CO2-Einsparung in Höhe von 1,6 % der Gesamtemissionen der Stromerzeugung und KWK-gebundenen Wärmeversorgung. Das Lastmanagement mit Wärmepumpen vermied Emissionen von 110 Tausend Tonnen CO2 (0,4 % der Gesamtemissionen) in Szenario A und 213 Tausend Tonnen in Szenario C (0,8 % der Gesamtemissionen). Es wurden darüber hinaus Betrachtungen zur Konkurrenz zwischen solarthermischer Nahwärme und KWK bei Einspeisung in dieselben Wärmenetze vorgenommen. Eine weitere Einschränkung der KWK-Erzeugung durch den Einspeisevorrang der Solarthermie wurde festgestellt. Ferner wurde eine untere Grenze von 6,5 bzw. 8,8 TWh_th für die in den Szenarien mindestens benötigte Wasserstoff-Speicherkapazität ermittelt. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, das technisch-ökonomische Potential von Langzeitwärmespeichern für eine bessere Integration von KWK ins System zu ermitteln bzw. generell nach geeigneteren Wärmesektorszenarien zu suchen, da deutlich wurde, dass für die öffentliche Wärmeversorgung die KWK in Kombination mit Kurzzeitwärmespeicherung, Gaskesseln und elektrischen Heizern keine sehr effektive CO2 -Reduktion in den Szenarien erreicht. Es sollte dabei z.B. untersucht werden, ob ein multivalentes System aus KWK, Wärmespeichern und Wärmepumpen eine ökonomisch darstellbare Alternative sein könnte und im Anschluss eine Betrachtung der optimalen Anteile von KWK, Wärmepumpen und Solarthermie im Wärmemarkt vorgenommen werden.

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Optimización del sistema de transporte en el colegio The English School

La optimización de sistemas y modelos se ha convertido en uno de los factores más importantes a la hora de buscar la mayor eficiencia de un proceso. Este concepto no es ajeno al transporte escolar, ambiente que cambia constantemente al ritmo de las necesidades de sus clientes, y que responde ante una fuerte responsabilidad frente a sus usuarios, los niños que hacen uso del servicio, en cuanto al cumplimiento de tiempos y seguridad, mientras busca constantemente la reducción de costos. Este proyecto expone las problemáticas presentadas en The English School en esta área y propone un modelo de optimización simple que permitirá notables mejoras en términos de tiempos y costos, de tal forma que genere beneficios para la institución en términos financieros y de satisfacción al cliente. Por medio de la implementación de este modelo será posible identificar errores comunes del proceso, se identificarán soluciones prácticas de fácil aplicación en el manejo del transporte y se presentarán los resultados obtenidos en la muestra utilizada para desarrollar el proyecto.

Modelo anisotrópico de cálculo de rutas de coste mínimo con gvSIG y SEXTANTE

La Vía Augusta era una vía romana que iba desde Cádiz hasta Roma. Estaba compuesta de un ramal principal y de diversos ramales secundarios que en su mayoría, constituyen el sustrato de la actual red principal de carreteras del Mediterráneo en la Península Ibérica. A pesar de ello, no se conoce la localización exacta de muchos de esos ramales. El presente artículo muestra un estudio de por dónde deberían atravesar, posiblemente, las rutas romanas el Pirineo Oriental. Para el cálculo de estas rutas se aplica un algoritmo de mínimo coste que incorpora diversas variables y que tiene en cuenta que el desplazamiento se lleva a cabo a pie, y siguiendo la orografía del terreno. Se utilizan en el proceso las herramientas de análisis de costes y el cálculo de rutas óptimas que incorpora SEXTANTE. En particular se estudia y se modela la ruta de mínimo coste anisotrópica, es decir aquella en la que es importante la dirección del movimiento. El proceso consiste en analizar diversas rutas de mínimo coste, entendiendo como coste el esfuerzo en recorrerla. Se busca, por tanto, el camino que sea más sencillo de recorrer teniendo en cuenta principalmente la orografía del terreno (MDT), la pendiente y su orientación. Además, en el estudio se tienen en cuenta otras variables como los usos de suelo, la red hidrográfica, la red de comunicaciones romana conocida, así como la ubicación de puentes y asentamientos romanos entre otros. Las diferentes rutas obtenidas se contrastan con las rutas propuestas por los historiadores y arqueólogos

Spectral gap for Glauber type dynamics for a special class of potentials

We consider an equilibrium birth and death type process for a particle system in infinite volume, the latter is described by the space of all locally finite point configurations on Rd. These Glauber type dynamics are Markov processes constructed for pre-given reversible measures. A representation for the ``carré du champ'' and ``second carré du champ'' for the associate infinitesimal generators L are calculated in infinite volume and for a large class of functions in a generalized sense. The corresponding coercivity identity is derived and explicit sufficient conditions for the appearance and bounds for the size of the spectral gap of L are given. These techniques are applied to Glauber dynamics associated to Gibbs measure and conditions are derived extending all previous known results and, in particular, potentials with negative parts can now be treated. The high temperature regime is extended essentially and potentials with non-trivial negative part can be included. Furthermore, a special class of potentials is defined for which the size of the spectral gap is as least as large as for the free system and, surprisingly, the spectral gap is independent of the activity. This type of potentials should not show any phase transition for a given temperature at any activity.

The dichotomous structure of the warm conveyor belt

The warm conveyor belt (WCB) of an extratropical cyclone generally splits into two branches. One branch (WCB1) turns anticyclonically into the downstream upper-level tropospheric ridge, while the second branch (WCB2) wraps cyclonically around the cyclone centre. Here, the WCB split in a typical North Atlantic cold-season cyclone is analysed using two numerical models: the Met Office Unified Model and the COSMO model. The WCB flow is defined using off-line trajectory analysis. The two models represent the WCB split consistently. The split occurs early in the evolution of the WCB with WCB1 experiencing maximum ascent at lower latitudes and with higher moisture content than WCB2. WCB1 ascends abruptly along the cold front where the resolved ascent rates are greatest and there is also line convection. In contrast, WCB2 remains at lower levels for longer before undergoing saturated large-scale ascent over the system's warm front. The greater moisture in WCB1 inflow results in greater net potential temperature change from latent heat release, which determines the final isentropic level of each branch. WCB1 also exhibits lower outflow potential vorticity values than WCB2. Complementary diagnostics in the two models are utilised to study the influence of individual diabatic processes on the WCB. Total diabatic heating rates along the WCB branches are comparable in the two models with microphysical processes in the large-scale cloud schemes being the major contributor to this heating. However, the different convective parameterisation schemes used by the models cause significantly different contributions to the total heating. These results have implications for studies on the influence of the WCB outflow in Rossby wave evolution and breaking. Key aspects are the net potential temperature change and the isentropic level of the outflow which together will influence the relative mass going into each WCB branch and the associated negative PV anomalies at the tropopause-level flow.

Two-level network design with intermediate facilities: An application to electrical distribution systems

We consider the two-level network design problem with intermediate facilities. This problem consists of designing a minimum cost network respecting some requirements, usually described in terms of the network topology or in terms of a desired flow of commodities between source and destination vertices. Each selected link must receive one of two types of edge facilities and the connection of different edge facilities requires a costly and capacitated vertex facility. We propose a hybrid decomposition approach which heuristically obtains tentative solutions for the vertex facilities number and location and use these solutions to limit the computational burden of a branch-and-cut algorithm. We test our method on instances of the power system secondary distribution network design problem. The results show that the method is efficient both in terms of solution quality and computational times. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Orthogonal packing of identical rectangles within isotropic convex regions

A mixed integer continuous nonlinear model and a solution method for the problem of orthogonally packing identical rectangles within an arbitrary convex region are introduced in the present work. The convex region is assumed to be made of an isotropic material in such a way that arbitrary rotations of the items, preserving the orthogonality constraint, are allowed. The solution method is based on a combination of branch and bound and active-set strategies for bound-constrained minimization of smooth functions. Numerical results show the reliability of the presented approach. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.