Topologieplanung für Gasnetze

Gasnetze sind komplexe Strukturen, die aus passiven Rohre, und aktiven, steuerbaren Elementen wie Ventilen und Kompressoren bestehen. Ein solches Netz zu steuern bedeutet, eine geeignete Einstellung aller aktiven Komponenten zu finden, welche es gestattet, eine nominierte Gasmenge zwischen Entry- und Exit-Knoten zu leiten, ohne dass es physikalische oder betriebliche Einschränkungen  verhindern. Die Steuerung eines großen Gasnetzes ist aus praktischer Sicht eine anspruchsvolle Aufgabe. In den meisten Unternehmen basiert die eigentliche Steuerung auf der Verwendung von Computer-Software, die in der Lage ist, die genaue Strömung des Gases zu simulieren, und dem Erfahrungswissen der Mitarbeiter, die die aktiven Elemente aussteuern.

Wenn das Gasnetz nicht ausreichend ist für den Transport, dann kommt die Topologie-Erweiterungen zum Zug. Hier werden neue Rohrleitungen oder neue aktive Elemente so bestimmt, dass sich das erweiterte Netz wiederum aussteuern lässt, und gleichzeitig die Ausbaukosten minimal sind. Die Frage ist, wie diese Erweiterungen zu wählen sind und wo man sie platziert, so dass ihr Nutzen groß und die Kosten für die Erweiterung insgesamt klein sind. Industrielle Praxis ist es, eine geeignete Simulationssoftware zu verwenden, und erstmal nur einen Teil der Ausbauten dem Netz hinzuzufügen.

Eine Schwäche dieses händischen simulationsbasierten Ansatz ist, dass auf diese Weise nicht bewiesen werden kann, dass eine gegebene Instanz unzulässig ist. Ferner kann nicht die Optimalität einer Auswahl an Ausbauten nachgewiesen werden. Daher entwickeln wir einen modellbasierten Ansatz. Dazu beschreiben wir ein ganzzahlig-nichtlineares Modell, welches die Netzsteuerung und den Netzausbau simultan berücksichtigt. Dieses Modell wird mittels eines Branch-and-Bound Verfahrens gelöst.

Partner

  • Zuse Institut Berlin

Weitere akademische Partneruniversitäten

  • WIAS Berlin
  • HU Berlin
  • Technische Universität Braunschweig
  • Uni Duisburg-Essen
  • FAU Erlangen
  • LUH Hannover

Industriepartner / Finanzierung

  • Open Grid Europe GmbH, Essen.

Vorträge

  1. Gemischt-ganzzahlige nichtlineare Optimierungsprobleme in zwei Transportanwendungen, Universität Ulm, Germany, 29.10.2012.
  2. Mixed-Integer Nonlinear Optimization Problems in Transportation Applications, RWTH Aachen, Germany, 21.5.2012.
  3. Mathematische Optimierung – Grundlagen und Anwendungen in der Energiewirtschaft, GASAG Summerschool, Berlin, Germany, 20.6.2011.
  4. Gemischt-ganzzahlige nichtlineare Optimierungsprobleme in zwei Transportanwendungen, Helmut-Schmidt-Universität - Universität der Bundeswehr, Hamburg, Germany, 31.5.2011.
  5. Gas Network Topology Optimization for Upcoming Market Requirements, 8th International Conference on the European Energy Market, Zagreb, Croatia, 26.5.2011.
  6. Input Data for Gas Network Optimization, Workshop ForNe, Nuremberg, Germany, 11.5.2011.
  7. Gas Network Topology Optimization, Workshop ForNe, Hannover, Germany, 21.1.2011.
  8. Gas Network Topology Optimization, Workshop ForNe, Berlin, Germany, 27.10.2010.
  9. Topology Planning for Natural Gas Networks, ECMI 2010, Wuppertal, Germany, 30.7.2010.
  10. Mathematische Optimierung – Grundlagen und Anwendungen in der Energiewirtschaft, GASAG Summerschool, Berlin, Germany, 2.7.2010.
  11. Gas Network Topology Optimization, Workshop ForNe, Essen, Germany, 18.5.2010.
  12. Gas Network Topology Optimization – From Small to Real-World Instances, Workshop ForNe, Duisburg, Germany, 3.2.2010.
  13. Gas Network Topology Optimization – Reducing the Computational Complexity, Workshop ForNe, Darmstadt, Germany, 3.11.2009.
  14. Nonlinear Models for Stationary Gas Network Flow and Topology Optimization, Workshop ForNe, Darmstadt, Germany, 15.5.2009.

Veröffentlichungen

  1. Armin Fügenschuh, Björn Geißler, Ralf Gollmer, Antonio Morsi, Marc E. Pfetsch, Jessica Rövekamp, Martin Schmidt, Klaus Spreckelsen, Marc C. Steinbach, Physical and technical fundamentals of gas networks. In: T. Koch, B. Hiller, M. Pfetsch, L. Schewe (Eds.), Evaluating Gas Network Capacities, SIAM, Philadelphia, Seite 17-44, 2015.
  2. Jesco Humpola, Armin Fügenschuh, Benjamin Hiller, Thorsten Koch, Thomas Lehmann, Ralf Lenz, Robert Schwarz, Jonas Schweiger, The specialized MINLP approach. In: T. Koch, B. Hiller, M. Pfetsch, L. Schewe (Eds.), Evaluating Gas Network Capacities, SIAM, Philadelphia, Seite 123-144, 2015.
  3. Jesco Humpola, Armin Fügenschuh, Thorsten Koch, A New Class of Valid Inequalities for Nonlinear Network Design Problems , OR Spectrum, in print. (Auch verfügbar als ZIB Technical Report ZR-13-06 , 2013.)
  4. Jesco Humpola, Armin Fügenschuh, Thomas Lehmann, A Primal Heuristic for Optimizing the Topology of Gas Networks based on Dual Information , EURO Journal on Computational Optimization, Vol. 3, No. 1, pp. 53 – 78, 2015. (Auch verfügbar als ZIB Technical Report ZR-13-49 , 2013.)
  5. Marc Pfetsch, Armin Fügenschuh, Björn Geißler, Nina Geißler, Ralf Gollmer, Benjamin Hiller, Jesco Humpola, Thorsten Koch, Thomas Lehmann, Alexander Martin, Antonio Morsi, Jessica Rövekamp, Lars Schewe, Martin Schmidt, Rüdiger Schultz, Robert Schwarz, Jonas Schweiger, Claudia Stangl, Marc Steinbach, Stefan Vigerske, Bernhard Willert, Validation of Nominations in Gas Network Optimization: Models, Methods, and Solutions , Optimization Methods and Software, Vol. 30, No. 1, pp. 15 – 53, 2015. (Also available as ZIB Technical Report ZR-12-41 , 2012.)
  6. Armin Fügenschuh, Björn Geißler, Ralf Gollmer, Christine Hayn, René Henrion, Benjamin Hiller, Jesco Humpola, Thorsten Koch, Thomas Lehmann, Alexander Martin, Radoslava Mirkov, Antonio Morsi, Jessica Rövekamp, Lars Schewe, Martin Schmidt, Rüdiger Schultz, Robert Schwarz, Jonas Schweiger, Claudia Stangl, Marc Steinbach, Bernhard Willert, Mathematical Optimization for Challenging Network Planning Problems in Unbundled Liberalized Gas Markets , Energy Systems, Vol. 5, No. 3, pp. 449 – 473, 2014. (Auch verfügbar als ZIB Technical Report ZR-13-13 , 2013.)
  7. Armin Fügenschuh, Jesco Humpola, A Unified View on Relaxations for a Nonlinear Network Flow Problem , ZIB Technical Report ZR-13-31, 2013.   
  8. Armin Fügenschuh, Benjamin Hiller, Jesco Humpola, Thorsten Koch, Thomas Lehmann, Robert Schwarz, Jonas Schweiger, Jácint Szabó, Gas Network Topology Optimization for Upcoming Market Requirements , International Conference on the European Energy Markets (EEM 11), pp. 346 – 351, 2011.
  9. Armin Fügenschuh, Gastransport - Eine Herausforderung für die Mathematik , ZIB Jahresbericht 2010, pp. 60 – 63, 2011.
  10. Armin Fügenschuh, Henning Homfeld, Hanno Schülldorf, Stefan Vigerske, Mixed-Integer Nonlinear Problems in Transportation Applications , Hélder Rodrigues et al. (Eds.), Proceedings of the 2nd International Conference on Engineering Optimization (+CD-rom), ISBN 978-989-96264-3-0, 2010.
  11. Armin Fügenschuh, Björn Geißler, Alexander Martin, Antonio Morsi, The Transport PDE and Mixed-Integer Linear Programming , Cynthia Barnhart, Uwe Clausen, Ulrich Lauther, Rolf H. Möhring (Eds.), Dagstuhl Seminar Proceedings 09261, Schloss Dagstuhl – Leibniz-Zentrum für Informatik, Deutschland, 2009.

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