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R. Hofmann:
"Aspects of Design Optimization and Operational Optimization for Industrial Energy Systems";
TU Wien/Faculty of Mechanical and Industrial Engineering, 2019.

Der fortschreitende Wandel im Energiesystem bringt erhebliche Veränderungen in verschiedenen Bereichen der Technik und Wirtschaft mit sich. Insbesondere die starke Diversifizierung des Energiemixes der Energieversorgung, die wachsende Bedeutung von Flexibilisierungsaspekten und die damit geforderte Steigerung der Energieeffizienz sowie der Übergang zu erneuerbaren En- ergien zur Erreichung der Klimaziele führen zu weitreichenden Veränderungen. All diese Aspekte wie schwankende Energiepreise, zunehmende Begrenzung der Netznutzung, Verän- derung und Umstellung industrieller Prozesse durch Digitalisierungsmöglichkeiten sowie Klimaschutzmaßnahmen für Industrieunternehmen sind oft mit Unsicherheit verbunden, da die tatsächliche Energiesituation im gesamten Produktionsprozess oft nur unvollständig bekannt ist. Über Jahrzehnte gewachsene Industriestandorte weisen oft eine sehr heterogene Landschaft von Technologien und einzigartigen Lösungen auf, die einen hochdynamischen Betrieb technisch oft schwierig oder gar unmöglich gestalten. Die Erreichung eines globalen wirtschaftlichen und ökologischen Betriebsoptimums ist nicht sichergestellt.

Die jüngsten Trends in der Forschungslandschaft zeigen mehr und mehr, dass ganzheitliche Lösungen notwendig werden, die es erlauben, thermische und elektrische Energie im Produktionsprozess zu verschieben oder zu speichern. Damit liegt die Richtung auf der Entwicklung neuartiger Optimierungsansätze, die eine zeitnahe Integration von Daten und die Optimierung des Produktionsprozesses ermöglichen und dadurch die Flexibilität von Energieversorgungseinheiten für stationäre, transiente oder batch-basierte Industrieprozesse erhöhen.

Um die Komplexität dieser hochgradig zusammenhängenden und vernetzten Aufgaben zu bewältigen und zu den oben genannten Zielen beizutragen, sind die Entwicklungen von Simulationen sowie Berechnungsalgorithmen für komplexe industrielle Energie- und Produktionssysteme und Betriebsoptimierungsstrategien unverzichtbare Methoden. Diese Habilitationsschrift zielt auf die Anwendbarkeit dieser Ansätze und entwickelten neuen Methoden auf die Bereiche der Energiesysteme ab. Um die oben genannten Themen nahtlos anzugehen, beschäftigt sich diese Arbeit mit Aspekten der Auslegungs- und Betriebsoptimierung industrieller Energiesysteme.

In vierzehn ausgewählten wissenschaftlichen Zeitschriftenartikeln, ergänzt durch einen Beitrag eines Tagungsbandes, werden die wichtigsten Forschungsfragen aus den genannten Themen angesprochen und beantwortet. Die einzelnen Beiträge, ihre Relevanz und Beziehung zur Simulation, Designoptimierung sowie zur Betriebsplanung und -optimierung von industriellen Energiesystemen werden für eine einheitliche wissenschaftliche Sichtweise skizziert. Für alle Kernpublikationen wird eine kurze Beschreibung der eigenen Beiträge und Anteile des Antragstellers vorgelegt. Schließlich ist eine Liste weiterer, zusammenhängender wissenschaftlicher Publikationen, die vom Antragsteller verfasst und mitverfasst wurden, sowie weiterer Forschungsarbeiten (Beteiligung an Forschungsprojekten, Verbreitung) und Lehrtätigkeiten hinzugefügt.

The ongoing transition within the energy system bring considerable changings in various areas of technology and the economy. In particular, the strong diversification in the mix of the energy supply, the growing importance of flexibilization aspects and the required energy efficiency increase as well as the transition to renewables to meet the climate goals are bringing about far-reaching changes. All these aspects including fluctuating energy prices, increasingly limiting grid utilization, changing and conversion of industrial processes by using digitalization possibilities and climate protection measures for industrial companies are often connected with uncertainty due to incomplete knowledge about the actual energy situation in the whole production process. Growing plant structures often have heterogeneous landscapes of technologies and unique solutions that make a highly dynamic operation technically often challenging or even impossible. Achieving a global economic and environmental operational optimum is not certain.

Recent trends in the research community have been heading towards holistic solution approaches that allow a displacement, shifting or storage of thermal and electrical energy in the production process. Newly developed optimization approaches should ensure both the integration of data in real time and the optimization of the production process. Thus, the flexibility of energy supply units for steady-state or transient/batch industrial processes will be increased.

To master the complexity of such highly interconnected and collaborative tasks and to contribute to these objectives, the development of simulations and calculation algorithms for complex industrial energy and production systems and operational optimization strategies are indispensable methods. This habilitation thesis targets the applicability of these approaches and developed novel methods to the domains of energy systems. To seamlessly address the above mentioned subjects, this thesis deals with aspects of design and operational optimization for industrial energy systems.

Within fourteen selected scientific journal publications supplemented by a contribution of conference proceedings, the key research questions from the topics above are addressed and answered. The individual contributions as well as their relevance and relation to simulation, design optimization and operational optimization or operation planning of industrial energy systems is outlined for a consistent scientific view. For each core-publication, a brief description of the own applicants contribution is presented. Finally, a list of further, connected scientific publications authored and co-authored by the applicant as well as further research work (research project involvements, dissemination) and teaching activities is given.