Werkzeug zur Ermittlung der Exergieeffizienz von Fernwärmesystemen

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1 Werkzeug zur Ermittlung der Exergieeffizienz von Fernwärmesystemen 10. Internationale Energiewirtschaftstagung Wien, Lukas Kriechbaum Daniel Heinrich Andreas Hammer Thomas Kienberger

2 Inhalt 1. Motivation & Einleitung 2. Exergie 3. Exergiebilanz Fernwärmenetz 4. Berechnungsmethodik 5. Fallstudie & Ergebnisse 2

3 Motivation Klimaschutzziele: erneuerbare Energien und Energieeffizienzsteigerung Exergieanalyse: Qualität der Energie Versorgung eines Haushaltes: Bedarf unterschiedlicher Energiequalitäten Konventionelle Versorgung Zukünftige Versorgung Wärmenetze: Versorgung niedrigexergetischer Bedarfe! 3

4 Exergie: Qualität der Energie Potential der Energie gegenüber Umgebungszustand Energie = Exergie + Anergie Exergie: hochwertiger, arbeitsfähiger Teil der Energie Anergie: nicht arbeitsfähiger Teil der Energie Elektrische und mechanische Energie: 100% Exergie Chemische Energie (z.b. Erdgas): ~100% Exergie Wärme: Exergiegehalt abhängig von Umgebungstemperatur Bei allen irreversiblen Prozessen verwandelt sich Exergie in Anergie Nur bei reversiblen Prozessen bleibt die Exergie konstant Aus Anergie kann niemals Exergie werden 4

5 Exergie der Wärme Exergie der Wärme: maximale Arbeit die in einem reversiblen Kreisprozess gewonnen werden kann Konstante Temperatur Veränderliche Temperatur Borgnakke, Sonntag: Fundamentals of thermodynamics EE = QQ 1 TT uu TT Exergiefaktor Borgnakke, Sonntag: Fundamentals of thermodynamics EE = QQ 1 TT uu TT TT uu ln Exergiefaktor TT TT uu 5

6 Ziele & Bilanzgebiet Exergetische Bewertung von Wärmenetzen Örtlich und zeitlich Bilanzgrenzen: Wärmeerzeuger bis Übergabestation Bereitstellung von Niedertemperaturwärme verursacht hohe Exergieverluste Verwendung niedrigexergetischer Energieträger Die höchsten Exergieverluste treten bei der Umwandlung in den Endenergieträger auf 6

7 Energiebilanz eines Fernwärmenetzes QQ iiii + PP pppp = QQ cccc + QQ ll Berücksichtigt nicht die Energiequalität! Energiebedarf Erzeuger Wärme- Energie Druck Rohrreibung Wärme Wärme Wärmebedarf Kunde Pumpen- Leistung Druck Druckabfall bei Verbraucher Wärmeverluste 7

8 Exergiebilanz eines Fernwärmenetzes Exergiebedarf Erzeuger Wärme- Exergie Pumpen- Leistung Umwandlungsverluste Druck Umwandlungsverluste Rohrreibung Exergie der Wärmeverluste Druck Exergie Druckabfall bei Verbraucher Umwandlungsverluste Exergiebedarf Kunde Exergie Verluste Einspeiserverluste Wärmeverluste Druckverlust Rohrleitung EE QQ iiii + PP pppp = EE cccc + EE ll QQ + EE ll pppp + EE ll pppp Druckabbau Verbraucher 8

9 Berechnungsablauf PSS Sincal Lastflussberechnung hydraulische Berechnung Modellierung Wärmenetz ODBC COM Matlab Daten auslesen Modellierung Einspeiser Exergetische Bewertung Auswertung 9

10 Fallstudie Wärmenetz Vorlauf/Rücklauf 84/55 C, Jahreswärmeabgabe 3,5 TWh Untersuchung von Einspeiserszenarien hinsichtlich Exergieeffizienz: Gaskessel Wärmepumpe Industrielle Abwärme Kombination aus KWK + Wärmepumpe + Spitzenlastkessel Betrachtungszeiträume: Winterwoche Frühlingswoche Sommerwoche Herbstwoche Wärmeeinspeisung in MWh Wärmeverluste in MWh , Pumpenarbeit in MWh

11 Ergebnisse Fallstudie Ausschnitt Winterwoche Versorgung mit Gaskessel Größte Exergieverluste bei der Wärmeerzeugung pp~mm ² Wärmeverluste: TT, αα Größter Druckverlust: Wärmeübergabestation Verbraucher Pumpenleistung untergeordnet Energieumwandlung Wochentag Wochenende Keine große Lastabhängigkeit Netzverluste 11

12 Ergebnisse Fallstudie Wärmeversorgung Exergiegerechter Energieträgereinsatz Exergieeinsparungen Anteilige Exergieflüsse, bezogen auf die benötigte Energiemenge: δδ eeeeii = EE ii QQ iiii Einsparungen: Wärmepumpe: Umgebungswärme (Anergie) Abwärme: kaskadische Nutzung Exergieeffizienz Winterwoche Frühlingswoche Sommer -woche Herbstwoche Gaskessel Wärmepumpe Abwärme Exergiegerechter Energieträgereinsatz Exergieeffizienz steigt Exergieeffizienz: ηη eeee = EE cccc EE QQiiii 12

13 Ergebnisse Fallstudie kombinierte Versorgung Kombination KWK + Wärmepumpe + Spitzenlastkessel Anteilige Exergieflüsse, bezogen auf den Gesamtenergiebedarf δδ eeeeii = EE ii QQ iiii Trotz KWK: Exergieverluste >50% Exergieeffizienz Frühlings -woche Winterwoche Sommerwoche Herbstwoche KWK Kombi Abwärme Wärmepumpe Gaskessel

14 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung: Analyse von PSS Sincal-Wärmenetzmodellen Abbildung von Netzverlusten und Einspeiserexergieverluste unterschiedlicher Versorgungsszenarien Lastpunkte und Zeitreihen, zeitliche und örtliche Ineffizienzen Ausblick: Einbindung nicht regelbarer, erneuerbarer Einpeiser Speichereinbindung Exergetische Bewertung von Überschussenergie Einbindung in hybride Energiesystembetrachtungen Ökonomische Bewertung 14

15 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!