Exergie - EEG, TU-Wien
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Werkzeug zur Ermittlung der Exergieeffizienz von Fernwärmesystemen 10. Internationale Energiewirtschaftstagung Wien, 16.2.2017 Lukas Kriechbaum Daniel Heinrich Andreas Hammer Thomas Kienberger Inhalt 1. Motivation & Einleitung 2. Exergie 3. Exergiebilanz Fernwärmenetz 4. Berechnungsmethodik 5. Fallstudie & Ergebnisse 2 Motivation • Klimaschutzziele: erneuerbare Energien und Energieeffizienzsteigerung • Exergieanalyse: Qualität der Energie • Versorgung eines Haushaltes: Bedarf unterschiedlicher Energiequalitäten Konventionelle Versorgung Wärmenetze: Versorgung niedrigexergetischer Bedarfe! Zukünftige Versorgung 3 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 Exergie der Wärme • Exergie der Wärme: maximale Arbeit die in einem reversiblen Kreisprozess gewonnen werden kann Konstante Temperatur Borgnakke, Sonntag: Fundamentals of thermodynamics πππ’π’ ππ Exergiefaktor πΈπΈΜ = ππΜ β 1 − Veränderliche Temperatur Borgnakke, Sonntag: Fundamentals of thermodynamics πΈπΈΜ = ππΜ β 1 − ππ πππ’π’ ln ππ − πππ’π’ πππ’π’ Exergiefaktor 5 Ziele & Bilanzgebiet • Exergetische Bewertung von Wärmenetzen β« Örtlich und zeitlich • Bilanzgrenzen: Wärmeerzeuger bis Übergabestation Bereitstellung von Niedertemperaturwärme verursacht hohe Exergieverluste ο Verwendung niedrigexergetischer Energieträger Die höchsten Exergieverluste treten bei der Umwandlung in den Endenergieträger auf 6 Energiebilanz eines Fernwärmenetzes ππΜππππ + ππππππ = ππΜππππ + ππΜππ Berücksichtigt nicht die Energiequalität! Druck Energiebedarf Erzeuger Rohrreibung WärmeEnergie PumpenLeistung Wärme Wärme Wärmebedarf Kunde Druckabfall Druck bei Verbraucher Wärmeverluste 7 Exergiebedarf Erzeuger Verluste • • • • Umwandlungsverluste Exergiebilanz eines Fernwärmenetzes Umwandlungsverluste Druck WärmeExergie PumpenLeistung Einspeiserverluste Wärmeverluste Druckverlust Rohrleitung Druckabbau Verbraucher Rohrreibung Exergiebedarf Kunde Exergie Exergie Druckabfall Druck bei Verbraucher Exergie der UmwandlungsWärmeverluste verluste πΈπΈΜππππππ + ππππππ = πΈπΈΜππππ + πΈπΈΜππππ + πΈπΈΜππππππ + πΈπΈΜππππππ 8 Berechnungsablauf PSS Sincal ODBC Daten auslesen Lastflussberechnung hydraulische Berechnung Modellierung Wärmenetz Matlab COM Modellierung Einspeiser Exergetische Bewertung Auswertung 9 Fallstudie Wärmenetz • Vorlauf/Rücklauf 84/55°C, Jahreswärmeabgabe 3,5 TWh • Untersuchung von Einspeiserszenarien hinsichtlich Exergieeffizienz: β« β« β« β« Gaskessel Wärmepumpe Industrielle Abwärme Kombination aus KWK + Wärmepumpe + Spitzenlastkessel • Betrachtungszeiträume: Winterwoche Frühlingswoche Sommerwoche Herbstwoche Wärmeeinspeisung in MWh 112.3 91.9 25.6 51.1 Wärmeverluste in MWh 15.3 15.2 10,0 13.6 Pumpenarbeit in MWh 0.9 0.7 0.2 0.4 10 Ergebnisse Fallstudie • Ausschnitt Winterwoche Versorgung mit Gaskessel β« Größte Exergieverluste bei der Wärmeerzeugung βππ~ππΜ² Größter Druckverlust: Wärmeübergabestation Verbraucher Wärmeverluste: βππ, πΌπΌ Pumpenleistung untergeordnet Energieumwandlung Wochentag Wochenende Keine große Lastabhängigkeit Netzverluste 11 Ergebnisse Fallstudie – Wärmeversorgung Exergiegerechter Energieträgereinsatz ο Exergieeinsparungen • Anteilige Exergieflüsse, bezogen auf die benötigte Energiemenge: πΏπΏππππππ • Einsparungen: πΈπΈππ = ππππππ β« Wärmepumpe: Umgebungswärme (Anergie) β« Abwärme: kaskadische Nutzung ExergieWinter- Frühlings- Sommer Herbsteffizienz woche woche -woche woche Gaskessel 0.17 0.16 0.08 0.11 Wärmepumpe 0.37 0.35 0.22 0.29 Abwärme 0.66 0.63 0.40 0.52 Exergiegerechter Energieträgereinsatz ο Exergieeffizienz steigt Exergieeffizienz: ππππππ = πΈπΈππππ πΈπΈππππππ 12 Ergebnisse Fallstudie – kombinierte Versorgung • Kombination KWK + Wärmepumpe + Spitzenlastkessel • Anteilige Exergieflüsse, bezogen auf den Gesamtenergiebedarf πΏπΏππππππ = πΈπΈππ ππππππ ο Trotz KWK: Exergieverluste >50% Exergieeffizienz KWK Kombi Abwärme Wärmepumpe Gaskessel Winterwoche 0.48 0.66 0.37 0.17 Frühlings Sommer-woche woche 0.47 0.63 0.35 0.16 0.43 0.40 0.22 0.08 Herbstwoche 0.45 0.52 0.29 0.11 13 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 Danke für Ihre Aufmerksamkeit!
