Modelling and control of large-scale solar thermal systems

Mit 50% hat Wärme den größten Anteil am globalen Endenergieverbrauch im Jahr 2018 und trägt zu etwa 40% zu den globalen Kohlendioxid (CO2)-Emissionen bei. Von der Gesamtheit an erzeugter Wärme wurde wiederum etwa 46% in Gebäuden für die Raumheizung und Warmwasserbereitung verbraucht. Gerade solarthermische Großanlagen bieten eine sehr effiziente Möglichkeit, den Anteil erneuerbarer Energien in Heizungssystemen zu erhöhen und die Kohlendioxidemissionen zu reduzieren. In diesem Zusammenhang ist die Zahl der solarthermischen Großanlagen in den letzten Jahren in europäischen Ländern, z. B. in Dänemark, sowie weltweit stark angestiegen, so dass bis Ende 2019 etwa 400 solarthermische Großanlagen (größer 350 kWth bzw. 500 m²) installiert waren.
Allerdings kann im Gegensatz zu anderen Heizsystemen ihre Hauptenergiequelle (Solarstrahlung) nicht manipuliert werden und unterliegt somit sowohl saisonalen als auch täglichen Veränderungen, weshalb gerade Regelungssysteme für den Betrieb dieser Anlagen eine sehr wichtige Rolle spielen. Aus diesen Gründen konzentriert sich diese Arbeit auf die Entwicklung modellbasierter Regelungsstrategien und deren notwendigen Vorarbeiten, um eine effiziente Regelung von solarthermischen Großanlagen zu ermöglichen. Die Arbeit behandelt dabei drei wichtige Aspekte:
Im ersten Hauptabschnitt werden Modelle von Komponenten solarthermischer Großanlagen entwickelt und validiert, wobei für die wichtigsten Komponenten zwei Modelltypen unterschiedlicher Komplexität, Simulations- und Reglerentwurfsmodelle, entwickelt wurden. Während Simulationsmodelle darauf abzielen, das physikalische Verhalten sehr genau zu modellieren, um in Simulationsstudien verwendet werden zu können, zielen Reglerentwursmodelle darauf ab, das physikalische Verhalten so genau wie nötig zu modellieren, um als Grundlage für modellbasierte Regelungsstrategien zu dienen. Alle Modelle werden mit Messdaten validiert und es wird gezeigt, dass sie für den vorgesehenen Zweck ausreichend genau sind.
Im zweiten Hauptabschnitt werden adaptive Vorhersagemethoden für die zukünftige solare Wärmeproduktion sowie den Wärmebedarf entwickelt und mit Messdaten validiert. Diese Methoden sind wichtig, um Solaranlagen möglichst effizient zu integrieren und zu betreiben, um Wärmeproduktion, -speicherung und -verteilung für die nahe Zukunft besser planen zu können. Um in realen Anwendungen eingesetzt werden zu können, werden die Methoden mit dem Ziel entwickelt, drei wichtige praktische Anforderungen zu erfüllen: einfache Implementierung, automatische Anpassung an saisonale Veränderungen und breite Anwendbarkeit. Die abschließende Langzeitauswertung für ein halbes Jahr beweist, dass die entwickelten Methoden sowohl die solare Wärmeproduktion als auch den Wärmebedarf sehr genau prognostizieren können und gängigen Prognosemethoden überlegen sind.
Im dritten Hauptabschnitt werden modellbasierte Regelungsstrategien sowohl für die über- als auch für die untergeordnete Regelung von solarthermischen Großanlagen entwickelt und validiert. Für die übergeordnete Regelung wird ein Ansatz vorgestellt, der unter Verwendung der entwickelten Prognosemethoden Informationen über die Zukunft berücksichtigt und somit einen höheren Gewinn (+3 %) bei gleichzeitig deutlich stabilerem Betrieb erzielt. Für die untergeordnete Regelung werden modellbasierte Regelstrategien auf Basis der entwickelten Modelle für die Wärmeerzeugung und die Wärmeverteilung vorgestellt. Die modellbasierte Regelungsstrategie für die Wärmeerzeugung berücksichtigt das dynamische Verhalten des Kollektors und insbesondere die variablen Durchlaufzeiten. Dies führt zu einem deutlich besseren Regelverhalten bei schwankender Sonneneinstrahlung und wechselnden Vorlauftemperaturen im Vergleich zu konventionellen Regelstrategien. Die modellbasierte Regelungsstrategie für die Wärmeverteilung basiert auf einem modularen Ansatz, der für eine Vielzahl an hydraulischen Konfigurationen anwendbar ist. Dieser führt zu einer genauen und unabhängigen Regelung des Massenstroms, der Temperatur und damit der Wärmeströme und ist herkömmlichen Regelungsstrategien überlegen. Für beide Regelungsebenen wurde darauf geachtet, dass die angewandten Strategien hinsichtlich ihrer mathematischen Komplexität und der notwendigen Rechenressourcen in realen Anwendungen eingesetzt werden können.
Zusammenfassend wird in dieser Arbeit ein ganzheitlicher Ansatz hinsichtlich Modellierung und Regelung vorgestellt, der dazu beitragen kann, die Effizienz von solarthermischen Großanlagen auf verschiedenen Ebenen zu verbessern sowie wettbewerbsfähiger zu machen und ist darüber hinaus für eine zukünftige Integration in größere Energiesysteme essentiell.