TOP-Energy - Industrielle Energieanalyse mit Hilfe von erweiterten Energie- und Verfahrensflussbildern

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1 TOP-Energy - Industrielle Energieanalyse mit Hilfe von erweiterten Energie- und Verfahrensflussbildern Workshop: Fließschemasimulationen in der Energietechnik 23. Juni 2011 Leipzig Dipl.-Phys. Stefan Kirschbaum Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik Arbeitsgruppe: Graphische Ingenieursystme 7/1/2011

2 Gliederung Kurze Vorstellung der GFaI Industrielle Energieberatung mit TOP-Energy Erweiterte Energie- und Verfahrensflussbilder Industrielle Beispielanwendungen Zusammenfassung - Ausblick Gliederung 2

3 Gliederung Kurze Vorstellung der GFaI Industrielle Energieberatung mit TOP-Energy Erweiterte Energie- und Verfahrensflussbilder Industrielle Beispielanwendungen Zusammenfassung - Ausblick Gliederung 3

4 Die Struktur der GFaI Die Gesellschaft zur Förderung angewandter Informatik ist als eingetragener Verein organisiert Durchführung von Forschungsprojekten und Dienstleistungen über 90 Mitarbeiter über 100 Firmen und Einrichtungen sind GFaI-Mitglieder vielfältige Kooperationen im Rahmen von Forschungsprojekten und FuE- Aufträgen (besonders mit kmu) An-Institut der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin und der Beuth Hochschule Berlin GFaI-Mitgliedschaften u. a.: Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e. V. VERBAND INNOVATIVER UNTERNEHMEN e. V. Struktur der GFaI 4

5 Kontaktperson Frage Zieldefinition Meldung W arnung Meldung Frage Frage Frage abzubildene Prozesse GasQuelle StromQuelle KWK> Sonst.> G-KWK-RWE E-RWE ZZ-E-KWK-RWE Todoliste T-90-2 Ideal Speicher T-70-4 PU-2 T Termin K-600kW T90-1 K-1000kW T-70-2 Ideal PU-1 T-70-1 ENV E-Bedarf Die Arbeitsgruppe Graphische Ingenieursysteme Rohmilch Separation Rahm 40% Elektrizität Elektrizität Dampf Rohmagermilch Magermilchbehandlung Elektrizität Dampf Eiswasser Butterprozesskette Butter Buttermilch Dokumentation Eiswasser Magermilch Magermilch Mischer Magermilch Elektrizität Dampf Dampf Eindampfen eingedampfte Magermilch Trocknung Magermilchpulver Engineering Energieberechnen Elektrizität T T GAS G G G BHKW-1 BHKW-2 BHKW-3 GAS T Wird über Kontextmenü mit file_0 initialisiert. INData_cold INData_cold Go Go Array OUTData Reset ReadData INData_hot INData_hot P INData_cold Go Reset Smooth OUTData OUTData bang INData_hot bang Trigger bang Wird über Kontextmenü mit file_1, file_2, file_3 initialisiert. INData_cold INData_cold OUTData1 Go List Go Array OUTData Reset OUTData2 INData_hot split 1 INData_hot Go Q-WW-Bedarf Q-Heiz-Bedarf P T INData_cold Go OUTData Reset Align Logging INData_hot INData_cold Go Smooth OUTData Reset INData_hot INData_cold Go ReadData OUTData Reset INData_hot Monitoring Simulation Zeichnung Modell Anwendung Arbeitsgruppe Graphische Ingenieursysteme 5

6 Gliederung Kurze Vorstellung der GFaI Industrielle Energieberatung mit TOP-Energy Erweiterte Energie- und Verfahrensflussbilder Industrielle Beispielanwendungen Zusammenfassung - Ausblick Gliederung 6

7 Steigender Kostendruck durch stark gestiegene Energiekosten Vielfältige Optimierungsmöglichkeiten durch neue Technologien Handlungsbedarf durch neue gesetzliche Bestimmungen Herausforderungen industrieller Energieberatung 7

8 Akademische Software Endanwender-Software Innovative Verfahren Spezifische Problemlösungen Komplexe Optimierungen Framework Standard GUI Datenschnittstellen Grafische Aufbereitung Versionsverwaltung Idee von TOP-Energy 8

9 Darstellung und Bewertung des Ist-Zustandes Entwicklung von Varianten Simulation der Varianten und Dokumentation Energiekostenoptimiertes System Vergleich der Varianten Benchmarking Dokumentation Datenerfassung Hohe Energiekosten Erstanalysebericht Energieberatung mit TOP-Energy 9

10 Werkzeug zur durchgängigen Analyse, Konzeption, Bewertung und Optimierung industrieller Energieversorgungssysteme Ist-Analyse des Energieeinsatzes und des Versorgungssystems: Datenerhebung und -auswertung, Modellerstellung und Berechnung der Bewertungsgrößen für das bestehende Versorgungssystem und möglichen Varianten, Zieldefinition und Entscheidungsfindung, Datenmanagement, Automatisierte Erstellung von Berichten und Präsentationen. TOP-Energy 10

11 GasQuelle StromQuelle ENV Sonst.> G-KWK-RWE E-RWE K-600kW K-1000kW T90-1 T-70-2 Ideal PU-1 T-70-1 E-Bedarf ENV GasQuelle StromQuelle KWK> Sonst.> G-KWK-RWE E-RWE ZZ-E-KWK-RWE BHKW-1 BHKW-2 BHKW-3 K-600kW K-1000kW T90-1 T-70-1 T-70-2 Ideal PU-1 E-Bedarf ENV GasQuelle StromQuelle Sonst.> G-KWK-RWE E-RWE ZZ-E-KWK-RWE BHKW-1 BHKW-2 BHKW-3 T-70-4 T-90-2 Ideal PU-2 Speicher P K-600kW K-1000kW T90-1 T-70-1 T-70-2 Ideal PU-1 E-Bedarf Aufgabe: Vergleich von 3 Varianten eines Energieversorgungssystems mit KWK. T T T T G G G Q-Heiz-Bedarf Q-WW-Bedarf G G G Q-Heiz-Bedarf Q-WW-Bedarf G G G T-70-3 Q-Heiz-Bedarf Q-WW-Bedarf GAS GAS KWK> BHKW-1 BHKW-2 BHKW-3 GAS GAS P T GAS GAS KWK> T P T P T Standard Einspeisung Speicherung Lösungsweg: Es wurde der IST-Fall mit zwei Varianten verglichen. Variante 1 speist Strom in das Netz zurück, Variante 2 verfügt über einen zusätzlichen Wärmespeicher. Ergebnis: Dokumentation der Ergebnisse der einzelnen Varianten, u.a. Emissionen, Energiebedarf, Investitions-, Betriebs,- Kapital- und Gesamtkosten, etc. Dokumentation verschiedener Varianten als Grundlage der Entscheidungsfindung im Unternehmen. Das Simulatormodul 11

12 Gliederung Kurze Vorstellung der GFaI Industrielle Energieberatung mit TOP-Energy Erweiterte Energie- und Verfahrensflussbilder Industrielle Beispielanwendungen Zusammenfassung - Ausblick Gliederung 12

13 Sichten auf ein Energiesystem Die Modellierung, Auswertung und Darstellung der Energiesysteme erfolgt in verschiedenen Sichten Die Sichten basieren jeweils auf Bilanzgleichungen Im Einzelnen gibt es: Massensicht Energiesicht Exergiesicht Ökonomiesicht Ökologiesicht Sichten 13

14 Sichten auf ein Energiesystem Die Modellierung, Auswertung und Darstellung der Energiesysteme erfolgt in verschiedenen Sichten Die Sichten basieren jeweils auf Bilanzgleichungen Im Einzelnen gibt es: Massensicht Energiesicht Exergiesicht Ökonomiesicht Ökologiesicht Sichten 14

15 Frischmilchherstellung 15

16 Sichten auf ein Energiesystem Die Modellierung, Auswertung und Darstellung der Energiesysteme erfolgt in verschiedenen Sichten Die Sichten basieren jeweils auf Bilanzgleichungen Im Einzelnen gibt es: Massensicht Energiesicht Exergiesicht Ökonomiesicht Ökologiesicht Erweiterte Energie- und Verfahrensflussbilder erlauben einen schnellen Überblick über die Verteilung verschiedener Bilanzgrößen Sie helfen schnell Modellierungsfehler zu finden Große Abwärmemengen sind mit Hilfe der Energie- oder Exergiesicht leicht ersichtlich Sichten 16

17 Ermittlung der Bilanzgrößen Die Werte für Masse, Energie und Exergie werden aus den physikalischen Zusammenhängen berechnet. Die Ökonomiesicht beinhaltet die Kosten zur Erzeugung eines Stoffstroms Die Ökologiesicht beinhaltet die CO2-Emissionen und das Primärenergieäquivalent Bilanzgrößen 17

18 Ermittlung der Bilanzgrößen Die Werte für Masse, Energie und Exergie werden aus den physikalischen Zusammenhängen berechnet. Die Ökonomiesicht beinhaltet die Kosten zur Erzeugung eines Stoffstroms Die Ökologiesicht beinhaltet die CO2-Emissionen und das Primärenergieäquivalent Physik Bestimmung der Bilanzgrößen auf In jedem Zustandspunkt Bilanzgrößen 18

19 Ermittlung der Bilanzgrößen Die Werte für Masse, Energie und Exergie werden aus den physikalischen Zusammenhängen berechnet. Die Ökonomiesicht beinhaltet die Kosten zur Erzeugung eines Stoffstroms Die Ökologiesicht beinhaltet die CO2-Emissionen und das Primärenergieäquivalent Allokation Bestimmung der Bilanzgrößen an der Bilanzgrenze Bilanzgrößen 19

20 Herausforderungen bei der Darstellung EEVS Enthalpieströme Die Darstellung der Energiesicht beruht unter Anderem auf der Berechnung der Enthalpieströme zwischen den Komponenten Die Enthalpieströme hängen von dem Referenzzustand ab, der modellweit definiert wird Liegt die Referenztemperatur über der Temperatur eines Stroms, wird der Enthalphiestrom negativ (Kälteanwendungen) Allokation Die Bewertung ob ein Strom noch einen Wert hat kann nicht in der jeweiligen Komponente erfolgen (Abwärmennutzung) Bewertung der Ströme kann in Komponenten an der Bilanzgrenze erfolgen Beispiel: Preis von Edukten und Produkten bestimmt den Wert der Ströme dazwischen Bilanzgrößen 20

21 Gliederung Kurze Vorstellung der GFaI Industrielle Energieberatung mit TOP-Energy Erweiterte Energie- und Verfahrensflussbilder Industrielle Beispielanwendungen Zusammenfassung - Ausblick Gliederung 21

22 Chlor-Alkali-Elektrolyse Chlor ist eine Grundchemikalie für viele Prozesse Die Chlorproduktion eines Landes ist ein Gradmesser für die Industrialisierung - BRD: 4,4 Mio t/a - Welt: 54 Mio t/a Stand der Technik ist die Membran- Elektrolyse Energiebedarf der Chlorproduktion beträgt ungefähr 2,5-4 MWh/t und ist somit für ca. 40% der CO2-Emissionen der chemischen Industrie verantwortlich Neuentwicklung von Bayer und Uhde: Elektrolyse mit Sauerstoffverzehrkathode Industrielle Anwendungen 22

23 Chlor-Alkali-Elektrolyse Beim Membranverfahren entsteht Wasserstoff, Chlor und Natronlauge SVK benötigt reinen Sauerstoff statt Luft und es entsteht kein Wasserstoff Vergleich der beiden Verfahren ist komplex und stark standortabhängig Entwicklung einer Software zur standortabhängigen Bewertung der SVK- Technologie PE* PE* H 2 O CO 22 * NaCl Strom Grundstoffchemie Natronlauge Membran SVK Wasserstoff Chlor Sauerstoff Luftzerlegung Stickstoff Dampfreformer Wasserstoff CO 2 CO div. Prozesse div. Prozesse Wasserstoffnutzung div. Prozesse Stromerzeugung Wasserstoffnutzung div. Prozesse Weiterverbeitung am Standort eventuell Nutzung am Standort Ersatz eventuell Nutzung am Standort Industrielle Anwendungen 23

24 Aufgabe: Der Einsatz von Kältemaschinen eines großen Automobilzulieferers war zu überprüfen und zu optimieren. Lösungsweg: Es wurden verschiedene Varianten des Energieversorgungssystems entwickelt, simuliert und bewertet. Ergebnis: Neue Kältemaschinen müssen nicht beschafft werden, aber folgende Maßnahmen sind sinnvoll: Absenken der Vorlauftemperatur im Kaltwassersystem (-17%) Änderungen an der Hydraulik (-6%) Änderung der Betriebsweise (-12%) Industrielle Anwendungen Gesamtenergieeinsparung von mehr als 30%! 24

25 Industrieparks Energiesysteme müssen häufig dem Bedarf angepasst werden Energiesystems sind relativ komplex Oft ist es schwierig alle Varianten der Energieversorgung zu berücksichtigen Entwicklung eines Optimierungsverfahrens zur Strukturoptimierung der Energiesysteme eines Industrieparks Industrielle Anwendungen 25

26 Versor ger Kessel Kessel Wärme bedarf KKM Kältebe darf Rückkühler Automatische Varianten-Generierung und -Bewertung Automatische Erzeugung neuer Strukturen Bewertung der Strukturen durch eine Einsatzoptimierer Ermittlung der Leitungsverlegekosten durch einen Routingalgorithmus Versor ger Versor ger Versor ger Kessel Kessel BHKW BHKW BHKW BHKW BHKW Wärme bedarf Wärme bedarf Wärme bedarf AKM AKM AKM KKM Kältebe Kältebe darf darf Kältebe darf Rückkühler Rückkühler Rückkühler Industrielle Anwendungen 26

27 Primärenergie Gesamtkosten Industrielle Anwendungen 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! ENDE 28