Dichtheidsgebaseerde topologieoptimalisatie voor warmtenetten

Volgens de Intergovernementele Werkgroep inzake klimaatverandering zijn er de komende 30 jaar aanzienlijke veranderingen in het energiesysteem nodig om de opwarming van de aarde te beperken (IPCC report 2022). Hoewel de rol van efficiënte en koolstofarme verwarmingstechnologieën blijft groeien, voorzien fossiele brandstoffen nog steeds in meer dan 60% van de vraag naar verwarmingsenergie (IEA Heating 2022). Deze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen in de verwarmingssector vereist nieuwe perspectieven bij de planning en het ontwerp van verwarmingstechnologieën, waarbij stadsverwarmingsnetwerken een cruciale rol spelen. De complexe kenmerken van moderne koolstofarme stadsverwarmingsnetwerken en de daaruit voortvloeiende ontwerpuitdagingen vereisen een nauwkeurige planning van het netwerkontwerp en -topologie op basis van gedetailleerde kennis van het netwerk en de toekomstige werking ervan. Veel geavanceerde benaderingen voor topologieoptimalisatie van het ontwerp van stadsverwarmingsnetwerken verwaarlozen details in de fysieke modellering van de werking van stadsverwarmingsnetwerken door linearisatie, of zijn niet schaalbaar voor relevante probleemgroottes.

Gezien de dringende behoefte aan moderne koolstofarme stadsverwarmingsnetwerken en het gebrek aan geautomatiseerde ontwerphulpmiddelen om ze op een energie- en kostenefficiënte manier te plannen, is het doel van dit proefschrift om een geautomatiseerd ontwerphulpmiddel te ontwikkelen voor de topologie- en ontwerpoptimalisatie van moderne stadsverwarmingsnetwerken op basis van een niet-lineair fysicamodel.

Gemotiveerd door het succes op andere gebieden wordt voor dit ontwerphulpmiddel een op dichtheid gebaseerde topologieoptimalisatiebenadering voor stadsverwarmingsnetwerken ontwikkeld. Eerst wordt een op dichtheid gebaseerde benadering geformuleerd voor het leidingplaatsingsprobleem van verwarmingsnetwerken. Deze benadering wordt vervolgens uitgebreid met een discrete diameterselectie op basis van een multimateriaalformulering. Door de dichtheidsgebaseerde topologie-optimalisatiebenadering te testen op een academische casestudy, is de benadering in staat om duidelijke topologische scheidingen te produceren tussen netwerken van verschillende temperaturen en om discrete pijpdiameterselectie te bereiken. Het onderzoek benadrukt het potentieel van economische topologie- en ontwerpoptimalisatie, vooral in de vroege ontwerpfasen van stadsverwarmingsnetwerken, omdat het een snelle scenarioanalyse van verschillende prijsscenario's en andere parameters mogelijk maakt. Over het algemeen bleek de toepassing van dichtheidsgebaseerde methoden een levensvatbaar alternatief voor combinatorische benaderingen voor de topologieoptimalisatie van stadsverwarmingsnetwerken. De methode blijkt bijna-discrete optimale netwerktopologieën en leidingontwerpen te produceren, terwijl de fysische nauwkeurigheid met niet-lineaire netwerkmodellen behouden blijft.

Vervolgens is een performantievergelijking met state-of-the-art benaderingen nodig om de schaalbaarheid en bruikbaarheid van de dichtheidsgebaseerde benadering te evalueren. Daarom worden de prestaties van twee verschillende benaderingen voor niet-lineaire topologieoptimalisatie van stadsverwarmingsnetwerken vergeleken. Een combinatorische benadering die een compleet Mixed Integer Nonlinear Program oplost, waarmee de discrete aard van leidingrouting wordt opgelost, en de op dichtheid gebaseerde topologieoptimalisatiebenadering die in dit proefschrift is ontwikkeld. De maatstaf toont een exponentiële schaling van de rekencomplexiteit met de grootte van het netwerk voor de combinatorische aanpak, waardoor optimalisatie van grote netwerken met duizenden potentiële pijpverbindingen onuitvoerbaar is. De op dichtheid gebaseerde aanpak daarentegen blijft een polynome schaling van de rekenkosten houden, waardoor optimalisaties van grote stadsverwarmingsnetwerken haalbaar zijn. Verder onderzoek van de optimaliteitskloof laat zien dat het oplossen van de discrete leidingplaatsingsbeperking in een combinatorische aanpak niet noodzakelijkerwijs leidt tot superieure netwerkontwerpen in de bestudeerde gevallen.

Na de ontwikkeling en benchmarking van de topologie- en ontwerpoptimalisatietool voor stadsverwarmingsnetwerken, wordt temporele resolutie toegevoegd. Door rekening te houden met de temporele resolutie van de warmtevraag en buitentemperatuur, worden meer geïntegreerde netwerktopologieën ontworpen die een ruimtelijke en temporele verschuiving van de hoofdbelasting mogelijk maken. Dit leidt tot geoptimaliseerde netwerken met een hogere connectiviteit en kleinere diameters, wat resulteert in een groter aandeel restwarmte en lagere kosten. De temporele resolutie maakt het ook mogelijk om de onbeschikbaarheid van producenten mee te nemen in de optimalisatie, wat resulteert in robuustere netwerkontwerpen.