Optimierung des Produktions- und Distributionssystems von Bioenergiedörfern

Auf der Weltklimakonferenz in Cancún (Mexiko) Ende 2010 haben die Vereinten Nationen als Ziel einen maximalen Temperaturanstieg auf der Erdoberfläche von maximal 2 Grad Celsius im Vergleich zu den vorindustriellen Werten festgeschrieben. Als Beitrag zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen soll laut Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) der Anteil der erneuerbaren Energien am Bruttoendenergieverbrauch im Jahr 2020 bei mindestens 18 % liegen und danach stufenweise auf 60 % bis zum Jahr 2050 erhöht werden. Über Stadtwerke oder Bioenergiedörfer können Städte und Gemeinden selbst erneuerbare Energie erzeugen und damit zum geplanten Ausbau der erneuerbaren Energien beitragen. In dieser Arbeit stehen Bioenergiedörfer im Fokus der Untersuchung. Nach einer kurzen Einführung werden in Kapitel zwei die Rahmenbedingungen der Untersuchung in dieser Arbeit beschrieben. Dabei wird das Konzept von Bioenergiedörfern dargestellt, Bioenergie im Kontext der Energieversorgung in Deutschland betrachtet, der Substrateinsatz und Flächenbedarf der Bioenergieerzeugung in Deutschland aufgezeigt und die gesetzlichen Rahmenbedingungen der Bioenergieerzeugung zusammenfassend erläutert. Im dritten Kapitel wird ein lineares gemischt-ganzzahliges Optimierungsproblem für Nahwärmenetze ohne Berücksichtigung der Energieerzeugungsanlage formuliert. In Kapitel vier werden die technischen Grundlagen der Biogasproduktion erläutert, landwirtschaftliche Biogasanlagen näher betrachtet, die Logistik der Biomassebereitstellung untersucht, Kapitalwerte für Biogasanlagen berechnet und dafür eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Die Kapitalwerte werden auf Basis der Einspeisevergütungen des EEG 2009 und des EEG 2012 und in Abhängigkeit der zur Verfügung stehenden Biomasse berechnet. In Kapitel fünf wird das Optimierungsmodell für Nahwärmenetze um eine Biogasanlage als Energieerzeugungsanlage erweitert. Bei der Anwendung des Modells auf ein Beispieldorf mit 44 Haushalten werden unterschiedliche Anschlussbereitschaften der Dorfbevölkerung an das Nahwärmenetz und unterschiedliche Biomasseangebote der ortsansässigen Landwirte berücksichtigt. In Kapitel sechs werden Schlussfolgerungen für das entwickelte Modell und für Bioenergiedörfer gezogen. In Kapitel sieben wird die Arbeit zusammengefasst. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass in dieser Arbeit ein ökonomisches mathematisches Optimierungsmodell für Bioenergiedörfer entwickelt wird. Im Ergebnis ermittelt das in dieser Arbeit entwickelte lineare gemischt-ganzzahlige Optimierungsmodell auf Basis der vor Ort zur Verfügung stehenden Menge an Biomasse die Anlagenleistung einer Biogasanlage, die an das Nahwärmenetz anzuschließenden Wärmekunden und den Netzverlauf des Nahwärmenetzes. Vor der Optimierung können Anschlusswünsche der Dorfbewohner im Modell berücksichtigt werden, so dass eine ökonomische Optimierung auf Basis der Vorstellungen der Dorfbewohner bezüglich ihrer zukünftigen Wärmeversorgung möglich ist.