Kostenreduktion und Wirkungsgradanhebung durch exergiebasierte Methoden

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1 Technische Universität Berlin Kostenredution und Wirungsgradanhebung durch exergiebasierte Methoden George Tsatsaronis

2 Ausgangspunt 2 Um den thermodynamischen Wirungsgrad und die Kosteneffetivität einer Energieumwandlungsanlage zu erhöhen und gleichzeitig die mit der Anlage verbundenen Umweltbelastungen zu reduzieren, ist das Verständnis darüber, wie thermodynamische Verluste, Kosten und Umweltbelastungen im Prozess entstehen und wie sie sich gegenseitig beeinflussen eine wesentliche Vorraussetzung. Die Zielsetzung liegt in einer einheitlichen, onsistenten, integrierten Bewertung eines energietechnischen Systems unter thermodynamischen, öonomischen und öologischen Gesichtspunten.

3 Fragen 3 Bei dem Entwurf und dem Betrieb einer Energieumwandlungsanlage sind u.a. folgende Fragen zu beantworten: Wo treten reale thermodynamische Verluste im Prozess auf? Wie groß sind diese Verluste und wodurch werden sie verursacht? (A.: Exergieanalyse) Durch welche Parameteränderungen oder Prozessmodifiationen ann der Wirungsgrad des gesamten Prozesses angehoben werden? (A.: Exergieanalyse, aber eine onventionelle Analyse reicht nicht aus)

4 Fragen (Fortsetzung) 4 Wie groß sind der Gesamtinvestitionsbedarf und die Anschaffungsosten der wichtigsten Anlagenomponenten? (A.: Kostenanalyse) Wie groß sind die Kosten und die Umweltbelastungen, die mit den thermodynamischen Verlusten verbunden sind? (A.: Exergoöonomische bzw. exergoöologische Analyse)

5 Exergieanalyse 5 In Rahmen einer Exergieanalyse wird folgendes berechnet: die Exergie ( E ) eines jeden Energie- und Stoffstromes innerhalb der betrachteten Anlage, die Exergievernichtung innerhalb jeder Anlagenomponente und innerhalb der Gesamtanlage und der exergetische Wirungsgrad jeder Anlagenomponente.

6 Exergetische Kenngrößen: E P und E F 6 Exergetischer Nutzen: E P Erwünschtes Produt, beschriebenen durch die zugehörige Größe der Exergie, das von der betrachteten Anlage (oder von der -ten Anlagenomponente) bereitgestellt wird. Exergetischer Aufwand: E F Exergieeinsatz, der aufgewendet wird, um den exergetischen Nutzen bereitzustellen.

7 Exergetische Kenngrößen: E D und E L 7 Exergievernichtung: E D Exergie, die aufgrund von Irreversibilitäten innerhalb der betrachteten Anlage (oder der -ten Anlagenomponente) vernichtet wird. Exergieverlust: E L Exergietransport an die Umgebung. Der zugehörige Exergiestrom wird weder in der betrachteten Anlage noch in einem anderen System weiter genutzt. Exergiebilanz: E F E P E D E L

8 Exergetische Kenngrößen: ε und y D, 8 Exergetischer Wirungsgrad : Verhältnis von exergetischem Nutzen zu exergetischem Aufwand tot E E P,tot F,tot 1 y D, E D,tot E E Exergievernichtungsquotient der -ten Anlagenomponente: E E E F,tot D, F,tot E P, 1 F, L,tot E E 1 D, F, y D, E E L,tot F,tot

9 Schlussfolgerung: Konventionelle Exergieanalyse 9 Mit Hilfe einer exergetischen Analyse önnen die realen thermodynamischen Verluste in einer energietechnischen Anlage berechnet und ihre Ursachen aufgezeigt werden. Die realen thermodynamischen Verluste beinhalten die Exergievernichtung aufgrund von Irreversibilitäten innerhalb der Systemgrenzen und den Exergieverlust durch unerwünschten Exergietransport an die Umgebung.

10 Wirtschaftlicheitsanalyse 10 Eine Wirtschaftlicheitsanalyse sollte die gesamte Lebensdauer einer Energieumwandlungsanlage umfassen. Dabei müssen alle zugehörigen Kosten berücsichtigt werden. Diese beinhalten Abschreibungen, Zinszahlungen, Steuern und Versicherungen, Brennstoffosten sowie Betriebs- und Wartungsosten. Im Rahmen der Wirtschaftlicheitsanalyse werden nivellierte jährliche Kosten berechnet und damit ein die gesamte wirtschaftliche Nutzungsdauer repräsentatives Jahr beschrieben.

11 Exergoöonomische Methode Bei der Anwendung der exergoöonomischen Methode wird eine optimale Abstimmung der notwendigen Investitionsosten (apitalgebundenen Kosten) mit den sich daraus ergebenden zugehörigen Brennstoffosten gesucht. Die Zielsetzung der exergoöonomischen Optimierung liegt in der Minimierung der Produtosten, die die Summe aus apitalgebundenen Kosten, Brennstoffosten und Betriebs- und Wartungsosten beinhalten.

12 Exergoöonomische Methode Die exergoöonomische Methode verbindet eine Exergieanalyse mit öonomischen Prinzipien und stellt einem Ingenieur dadurch zusätzliche Informationen zur Verfügung, die aus einer onventionellen Energieanalyse oder Exergieanalyse und einer öonomischen Bewertung nicht gewonnen werden önnen. Diese Informationen sind jedoch den Entwurf und den Betrieb einer osteneffetiven Anlage entscheidend. Die exergoöonomische Methode ann als exergieunterstützte Kostenreduzierung verstanden werden.

13 Exergoöonomische Methode Die exergoöonomische Methode basiert auf zwei wichtigen Prinzipien, die die Vernüpfung von Thermodynami und Kostenrechnung repräsentieren. Das erste Prinzip ist alle exergoöonomischen Anwendungen gültig, dagegen wird das zweite Prinzip nur bei Anwendungen, in denen neue Investitionen zu tätigen sind, eingesetzt.

14 Thermodynami und Wirtschaftlicheit Exergy-Costing : Exergie ist die einzige sinnvolle Größe, auf die die Kosten in Energieumwandlungsanlagen bezogen werden önnen. Die exergoöonomische Analyse basiert auf dem Prinzip des so genannten Exergy-Costing mit Hilfe dessen die exergiebezogenen Kostenströme alle Stoff- und Energieströme in einer Anlage berechnet werden: C c E C j c j E j = Kostenstrom; j = Exergiestrom; = durchschnittliche Kosten pro Exergieeinheit j j

15 Thermodynami und Wirtschaftlicheit Z E CI P, Eine Zunahme der Exergievernichtung ist aus thermodynamischer Sicht unerwünscht. Sie erlaubt uns aber die Investitionsosten der betrachten Komponente zu reduzieren.

16 Kostenströme, Aufwand und Nutzen 16 Die Kostenströme ( C j ) oder die durchschnittlichen Kosten pro Exergieeinheit werden mit Hilfe von Kostenbilanzen (die jede einzelne Anlagenomponente erstellt werden) und Kosten- Hilfsbeziehungen berechnet. Zusätzlich werden jede Anlagenomponente die Kostenströme, die mit dem exergetischen Aufwand, dem exergetischen Nutzen und der Exergievernichtung der Anlagenomponente verbunden sind, berechnet.

17 Kostenbilanz 17 C 1,,ein C 2,,ein C n,,ein 1 2 n Z -te Anlagenomponente Z CI Z OM 1 2 m C 1,,aus C 2,,aus C m,, aus Kostenbilanz die -te Anlagenomponente C P, C cp, E P, cf, E F, Z Kostenstrom, der mit der Exergievernichtung in der -ten Anlagenomponente vernüpft ist C D, c F, F, E Z D,

18 Reale Ursachen der auftretenden Kosten 18 Die unterschiedlichen Ursachen der Kosten, die in einer Energieumwandlungsanlage auftreten, sind: Investitionsosten jede Anlagenomponente Betriebs- und Wartungsosten Kosten, die mit der Exergievernichtung in jeder einzelnen Anlagenomponente verbunden sind Kosten, die mit dem Exergieverlust der Gesamtanlage verbunden sind

19 Iterative exergoöonomische Optimierung 19 Für jede der wichtigsten Anlagenomponenten ist eine Entscheidung darüber zu treffen, ob (a) eine Verbesserung des Wirungsgrades durch höhere Investitionsausgaben oder statt dessen (b) eine Reduzierung der Investitionsosten bei gleichzeitiger Verringerung des Wirungsgrades die Kosteneffetivität der Gesamtanlage erhöhen ann. Diese Entscheidung muss auf der Grundlage atueller Informationen über die Investitionsosten und Kosten der Exergievernichtung und/oder auf der Grundlage eines Vergleichs zwischen dem atuellen und dem ostenoptimalen exergetischen Wirungsgrad der betrachteten Anlagenomponente getroffen werden.

20 Kosten der Exergievernichtung 20 Aus thermodynamischer Sicht ist jede Einheit der Exergievernichtung gleichbedeutend. Der exergoöonomische Ansatz zeigt auf, dass die durchschnittlichen Kosten pro Einheit der Exergievernichtung jede Anlagenomponente unterschiedlich groß und von der Einordnung der Komponente in die Gesamtanlage abhängig sind: Anlagenomponenten, die nahe der Exergiezufuhr zur Gesamtanlage angeordnet sind, weisen in der Regel geringere Kosten pro Einheit der Exergievernichtung auf im Vergleich zu Anlagenomponenten, die nahe dem Bereich, in dem die Produtströme abgeführt werden, angeordnet sind.

21 Exergoöonomische Variablen 21 Relative Kostendifferenz zwischen den durchschnittlichen Kosten pro Exergieeinheit des exergetischen Nutzens und des exergetischen Aufwandes r c P, c c F, F, c F, c E F, D, E P, Z 1 c F, Z E P, Gesamtostenstrom: C TOT, Z C D, Exergoöonomischer Fator: f Z Z C D, Z Z c F, E D,

22 Iterative Exergoöonomische Optimierung 22 Bei der Anwendung der exergoöonomischen Methode ist zu beachten, dass die Werte aller exergoöonomischen Variablen vom Typ der Anlagenomponente (z.b. Wärmeübertrager, Turbine, Verdichter oder chemischer Reator) abhängig sind. Die Bewertung einer Variablen ( hoch / niedrig )mussdaher immer unter Berücsichtung des Anlagenomponententyps und vergleichend mit anderen Werten genau diesen Typ von Anlagenomponenten erfolgen. Auf dieser Grundlage ann die Verwendung von wissensbasierten und Fuzzy Systemen in Kombination mit einer exergoöonomischen Optimierung ein geeignetes Werzeug den Ingenieur darstellen.

23 Erweiterte Analysen 23 Im Rahmen einer onventionellen Exergieanalyse, oder onventionellen exergoöonomischen Analyse önnen weder die gegenseitigen Abhängigeiten der verschiedenen Anlagenomponenten voneinander untersucht oder bewertet werden noch die vermeidbaren Verluste und Kosten identifiziert werden Ermöglicht wird dies durch erweiterte Analysen, in denen die Exergievernichtung, die Investitionsosten oder die anlagenbezogenen Umweltbelastungen unterteilt werden in: einen endogenen und einen exogenen Anteil, einen vermeidbaren und einen unvermeidbare Anteil und die sich daraus ergebenen ombinierten Anteile.

24 Definition: EN und EX Anteile 24 EN E D, Die endogene Exergievernichtung ( ) einer Anlagenomponente beinhaltet den Anteil der Exergievernichtung, der sich ergibt, wenn alle Anlagenomponenten ideal (und somit ohne thermodynamische Verluste) und nur die Komponente mit ihrem realen Wirungsgrad ε betrieben werden. EX Dagegen umfasst die exogene Exergievernichtung ( E D, ) den Anteil der Exergievernichtung in der -ten Anlagenomponente, der durch die Irreversibilitäten aller übrigen Komponenten verursacht wird. Analog werden die endogenen ( ) und exogenen ( ) Investitionsosten definiert. Z EN Z EX

25 Definition: UN und AV Anteile 25 UN Der unvermeidbare ( E D, ) Anteil der Exergievernichtung in der -ten Anlagenomponente ann aufgrund von Beschränungen der technischen und öonomischen Möglicheiten oder der verfügbaren Herstellungsverfahren nicht weiter reduziert oder vermieden werden. Die vermeidbare Exergievernichtung ( AV E ) ann D, dagegen variiert werden und bietet somit im Rahmen einer Optimierung Potential, die Kosteneffetivität des Gesamtsystems zu erhöhen.

26 Definition: UN und AV Anteile 26 UN Die unvermeidbaren Investitionsosten ( ) einer Anlagenomponente önnen berechnet werden, indem eine extrem ineffiziente Komponente zugrunde gelegt wird. Um eine Anpassung an verschiedene Größen zu ermöglichen, werden jede Anlagenomponente unvermeidbare Investitionsosten pro Exergieeinheit des Nutzens Z / E P UN Z bestimmt.

27 Graphische Darstellung 27 Z E CI P, P, UN EX EN AV AV,EN In diesem Bereich ist eine Reduzierung durch die Erhöhung des exergetischen Wirungsgrades der -ten Anlagenomponte möglich. AV,EX Durch eine Optimierung der Anlagenstrutur oder eine Verbesserung der Effizienz der übrigen Anlagenomponenten ann dieser Anteil reduziert werden. EX EN EX EN AV UN EN EX Der unvermeidbare Anteil UN ann aufgrund von technischen oder wirtschaftlichen Beschränungen in der Anlagenomponente oder in einer anderen Komponente die gegebene Anlagenstrutur nicht reduziert werden. C E D, P, c E E F, P, D,

28 Unterteilung der Exergievernichtung 28

29 Summe der Exergievernichtungen, die durch die -te Komponente verursacht werden 29 E AV, D, E AV,EN D, n r 1 r E AV,EX, D,r Das Verbesserungspotential jede einzelne Anlagenomponente wird durch die vermeidbaren Anteile der Exergievernichtung angegeben. Diese Verbesserungspotential ann aus wirtschaftlichen Gründen nie voll genutzt werden.

30 Fallstudie: Kältemaschine 30 Q cold =50 W Arbeitsmedium: R600 (Butan) Wasser:T 8 =5 o C und T 9 =12 o C Wasser: T 6 =20 o C und T 7 =25 o C

31 31 ε tot = 24.4 % a CM,CM D E E W E E E E E E CD, D E E E E E EV, D E E E E E E E T T M M D,TV Fallstudie: Exergieanalyse

32 Fallstudie: Exergoöonomische Analyse 32

33 Fallstudie: Erweiterte Analysen 33

34 Fallstudie: Erweiterte Analysen 34

35 Fallstudie: Erweiterte Analysen 35

36 Schlussfolgerungen Das Exergieonzept vervollständigt und erweitert eine Energieanalyse durch die Berechnung (a) des realen thermodynamischen Wertes eines Energieträgers, (b) der realen thermodynamischen Verluste in einer Energieumwandlungsanlage und (c) von Variablen, mit deren Hilfe die thermodynamische Ausführung einer Anlage (oder einer Anlagenomponente) eindeutig und präzise charaterisiert werden ann. Somit liefert das Exergieonzept die Basis die eindeutige Zuordnung von Kosten (und Umweltbelastungen) zu Energieträgern und zu thermodynamischen Verlusten. Die vorgestellte Methode bietet die Möglicheit einer einheitlichen Bewertung eines energietechnischen Systems unter thermodynamischen, öonomischen und öologischen Gesichtspunten.

37 Schlussfolgerungen Der exergoöonomische Ansatz ermöglicht die objetive Zuordnung von Kosten zu Energieträgern und bietet wertvolle Informationen Entscheidungsprozesse im Rahmen des Entwurfes und der Optimierung von Energieumwandlungsanlagen. Darüber hinaus zeigt die exergoöonomische Methode auf, dass die Exergievernichtung einer Anlagenomponente auch einen positiven Einfluss auf die Wirtschaftlicheit von Energieumwandlungsanlagen hat. Die Inaufnahme einer höheren Exergievernichtung bietet die Möglicheit, die Investitionsosten einer Anlagenomponente zu reduzieren.

38 Schlussfolgerungen Die exergoöonomische und exergoöologische Ansätze ermöglichen eine gute Abstimmung zwischen den Kosten (bzw. den Umweltbelastungen), die mit den thermodynamischen Verlusten verbunden sind und den Komponentenbezogenen Investitionsausgaben (bzw. Umweltbelastungen). Mit Hilfe dieser Methoden önnen die Kosten der realen thermodynamischen Verluste jede einzelne Anlagenomponente berechnet werden. Damit önnen die wahren Ursachen die Zunahme der Kosten in einer Anlage aufgedect und bewertet werden.

39 Schlussfolgerungen Eine erweiterte exergoöonomische und exergoöologische Bewertung onzentriert sich nur auf die vermeidbaren thermodynamischen Verluste, Investitionsosten und anlagenbezogenen Umweltbelastungen. Die erweiterte Bewertung ermöglicht es, eine einzelne Anlagenomponente und gleichzeitig auch ihre Wechselwirungen mit allen übrigen Anlagenomponenten sowie das Verbesserungspotential Komponenten und Anlagen zu untersuchen.

40 Schlussfolgerungen Durch das Aufzeigen der Vernüpfung von Thermodynami und Wirtschaftlicheit beim Entwurf von Energieumwandlungsanlagen erhöht und unterstützt der exergoöonomische Ansatz das Wissen, die Erfahrung und die Kreativität eines Ingenieurs. Für die Analyse und Optimierung von Energieumwandlungsanlagen werden wertvolle Werzeuge bereitgestellt, um die Kostenströme und deren Abhängigeiten in einer Anlage zu veranschaulichen und zu verstehen.

41 41 Vielen Dan Ihre Aufmersameit