Optimierungsmethodik zur Investitions- und Einsatzplanung der Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme

Steigende und volatilere Energiekosten, Unsicherheit über die zukünftige Versorgungssicherheit sowie das sozio-ökologische Ziel, Treibhausgasemissionen zu reduzieren und Klimaneutralität zu erreichen, veranlassen Industrieunternehmen zu Investitionen in die Transformation der Energieversorgung ihrer Industriestandorte. Gleichzeitig steht die Dekarbonisierung des Wärmesektors noch am Anfang und es werden Möglichkeiten entwickelt, überschüssige Wärme aus Industrieunternehmen über Fernwärmenetze verfügbar zu machen. Abwärme hat in der Fernwärmeversorgung in Deutschland derzeit nur einen geringen Anteil, jedoch wird insbesondere in der industriellen Abwärme ein großes Potenzial zur Emissionsminderung gesehen. Die Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme und damit auch die Möglichkeit der Einspeisung von Abwärme in Fernwärmenetze ist aus Sicht eines Industrieunternehmens ein Planungsprozess, der durch das industrielle Energiemanagement gesteuert wird. Fehlende Transparenz sowie Berechnungsgrundlagen und Vorgehensweisen bei der ganzheitlichen Investitions- und Einsatzplanung sind wesentliche Hemmnisse für das industrielle Energiemanagement und lassen Planungsprojekte wie die Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme bereits in frühen Planungsphasen scheitern. Vor dem Hintergrund der technischen, ökonomischen und ökologischen Potenziale und Herausforderungen wird in der vorliegenden Arbeit eine Optimierungsmethodik zur Investitions- und Einsatzplanung der Fernwärmeanbindung industrieller Energiesysteme vorgestellt. Diese Optimierungsmethodik besteht im Kern aus drei Modellen -- einem deskriptiven Modell, einem Optimierungsmodell und einem Vorgehensmodell --, die sich auf die Unterstützung der Konzeptplanung einer bidirektionalen Fernwärmeanbindung aus Industrieperspektive unter Berücksichtigung von Transformationsszenarien des industriellen Energiesystems und Partizipationsmodellen des Fernwärmenetzes fokussieren. In Modell- und Methodentests wurden die einzelnen Modelle und Methoden anhand des Anwendungsfalls ETA mit Daten der ETA-Fabrik der Technischen Universität Darmstadt hinsichtlich Funktionalität der Optimierungsmethodik untersucht. Weiterhin wurde die Anwendbarkeit der Optimierungsmethodik unter Verwendung des Vorgehensmodells anhand einer Industrieanwendung getestet. Im Anwendungsfall DELTA plant das Industrieunternehmen Merck KGaA in Darmstadt eine Fernwärmeanbindung an ein Fernwärmenetz des Energieversorgungsunternehmens ENTEGA AG. Die Ergebnisse der Industrieanwendung zeigen, dass eine Fernwärmeanbindung unter Berücksichtigung von Unsicherheit über die zukünftige Transformation des industriellen Energiesystems ökonomisch und ökologisch sinnvoll geplant werden kann. Optimierungsmethodiken, wie in dieser Arbeit präsentiert, können die notwendigen Planungsphasen und -prozesse durch höhere Transparenz sowie bessere Berechnungsgrundlagen und Vorgehensweisen für vorhandene Daten und Informationen unterstützen; in der Hoffnung, die notwendige Wärmewende zu beschleunigen