Titel, Bezeichnung des Vortrags - EEG, TU-Wien
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10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 Werkzeug zur Ermittlung der Exergieeffizienz von Fernwärmesystemen Lukas KRIECHBAUM1(1), Daniel HEINRICH(1), Andreas HAMMER(1), Thomas KIENBERGER(1) (1)Lehrstuhl für Energieverbundtechnik, Montanuniversität Leoben Kurzfassung: Vor dem Hintergrund der globalen Klimaschutzziele spielen neben dem Einsatz erneuerbarer Energieformen auch die Anwendung und geeignete systemische Kombination von Technologien zur Steigerung der Energieeffizienz eine wesentliche Rolle. Neben der rein quantitativen Bewertung gerät als Bewertungskriterium zusätzlich die Qualität der Energieformen und –ströme, die Exergie, in den Mittelpunkt. Für gewöhnlich übersteigt derzeit die Energiequalität der Versorgung die des Bedarfs deutlich. Vor allem im Bereich der Versorgung mit Raumwärme und Warmwasser, beides sehr niedrigexergetische Anwendungen, besteht hier noch großes Verbesserungspotential. Derzeitige herkömmliche Wärmenetzberechnungsprogramme liefern zwar hinreichende Ergebnisse über die Hydraulik, die Lastflüsse, Eigenverbräuche und -verluste, lassen aber keine exergetische Bewertung zu. Aufbauend auf der kommerziellen Netzberechnungssoftware PSS Sincal, damit wurden die hydraulischen und energetischen Berechnungen durchgeführt, wurde ein Matlab-Werkzeug zur exergetischen Analyse erstellt. Es erlaubt die Modellierung und Bewertung unterschiedlicher Einspeiservarianten, wie zum Beispiel Erdgas-, Öl- und Biomassekessel, Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen (KWK), Wärmepumpen, Abwärmenutzung und solare Einspeisung. Es können neben einzelnen Lastpunkten auch Zeitreihen ausgewertet werden. Das Werkzeug wurde auf ein Modell eines existierenden Wärmenetzes angewendet. Eine Versorgung mit Gaskessel, Wärmepumpe, Abwärme und eine kombinierte Versorgung mit KWK, Wärmepumpe und Spitzenlastkessel wurden untersucht. Die exergetisch günstigsten Ergebnisse konnten mit Abwärme und KWK erzielt werden. Keywords: Exergie, Exergieeffizienz, Fernwärme 1 Einleitung Eine Beschränkung der Temperaturerhöhung von 2°C im Vergleich zur vorindustriellen Zeit ist das zentrale Ziel der Pariser Klimakonferenz von 2015, nach Möglichkeiten soll der Anstieg auf unter 1.5°C beschränkt werden [1]. Die Verbrennung fossiler Energieträger verursacht derzeit den größten Anteil der emittierten Treibhausgase. 2008 wurde 86% des weltweiten Energiebedarfs durch fossile Quellen gedeckt [2]. Zur Erreichung der Pariser Klimaschutzziele muss die Welt in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts treibhausgasneutral werden. Dazu 1 Jungautor, Franz-Josef-Straße 18, 8700 Leoben, [email protected], evt.unileoben.ac.at Seite 1 von 16 +43 3842 402-5408, 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 existieren prinzipiell zwei Möglichkeiten. Zum einen die generelle Verringerung der Nutzung fossiler Energieträger durch die Einbindung erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie in das Energiesystem. Zu dieser Primärmaßnahme kommt ein weiterer wichtiger Schritt, die konsequente Steigerung der Energieeffizienz. Abbildung 1 Konventionelle Energieversorgung durch hochwertige Energieträger [3] Im Zuge zukünftig komplexerer Energiesysteme mit dem Einsatz unterschiedlicher Energieformen und den damit verbundenen Herausforderungen, ist eine gemeinsame Basis in der Beurteilung ihrer Effizienz notwendig. Hier bietet sich das Konzept der Exergie an. Die exergetische Betrachtung berücksichtigt im Vergleich zur ausschließlich energetischen Betrachtung auch die Qualität der Energie und ermöglicht so zusätzliche Aussagen über die Verwertung von Energieträgern. Sie erlaubt auch die bessere Anpassung der Energiequalität des Angebots an die Energiequalität der Nachfrage. Vor allem bei Privathaushalten übersteigt in der Regel heute das Exergieangebot den erforderlichen Bedarf deutlich (Abbildung 1). Besonders der Bereich der Raumwärme- und Warmwasserversorgung, der einen wesentlichen Anteil am Energieverbrauch in den Privathaushalten einnimmt, bedarf nur einer sehr niedrigen energetischen Qualität. Erfolgt die Bereitstellung durch hochexergetische Energieformen wie dem Einsatz fossiler Brennstoffe oder Strom, entstehen sehr hohe Exergieverluste, größtenteils infolge der Umwandlung der Primärenergie in Wärme. Erfolgt die Versorgung eines Bedarfs mithilfe eines exergetisch geeigneten Energieträgers, kann dies maßgeblich zur Verringerung des fossilen als auch erneuerbaren Primärenergieeinsatzes beitragen (Abbildung 2). Als wichtige Infrastruktur der kommunalen Energieversorgung kommt den Fernwärmenetzen eine besondere Bedeutung zu. Sie sind in der Lage, thermische Energie auf niedrigexergetischer Ebene (Abbildung 2), zum Beispiel aus industrieller Abwärme bzw. einer Kraft-Wärme-Kopplung, bereitzustellen. Zur Auslegung und energetischen Bewertung von Fernwärmenetzen existieren bereits eine Vielzahl an Berechnungsprogrammen. Diese liefern zwar hinreichende Ergebnisse über Lastflüsse, Energieverbräuche und -verluste, lassen aber Seite 2 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 keine exergetische Bewertung zu. Aufbauend auf der kommerziellen Netz-Analysesoftware Siemens PSS®Sincal wurde ein Matlab-Werkzeug entwickelt, welches eine weitgehend automatisierte exergetische Bewertung unterschiedlicher Versorgungsszenarien von bestehenden Netzmodellen ermöglicht. Abbildung 2 Angepasste Energieversorgung mit Energieträgern unterschiedlicher Qualitätsstufen für ein Gebäude mit Nutzungen in unterschiedlichen Qualitätsstufen[3] In der Literatur sind bereits einige exergetische Analysen von Fernwärmenetzen dargestellt. Sie alle haben jedoch gemeinsam, dass sie keine graphische Modellierung der Netze zu zulassen. Die Netztopographie muss über eine Inzidenzmatrix beschrieben werden, wie zum Beispiel bei Ljubenko et. Al. [4]. In einer ähnlichen Arbeit haben Comakli et. Al. [5] die energetischen und exergetischen Verluste des Wärmenetzes der Atatürk Universität beschrieben. Der Einfluss von abgesenkten Temperaturen in Wärmenetzen wurde von mehreren Arbeiten [6–8] sowohl energetisch als auch exergetisch untersucht. Die Vorteile der in dieser Arbeit vorgestellten Vorgehensweise sind die Möglichkeit der graphischen Modellierung der Netze sowie die Anwendbarkeit auf jegliches beliebige in PSS Sincal modellierte Wärmenetz. Durch den modularen Aufbau des Werkzeuges lässt es auch zur Nutzung mit anderen Wärmenetzberechnungsprogrammen anpassen, sofern dieselben Ergebnisse wie aus PSS Sincal extrahiert werden können. 2 Methodik Zuerst wird das Konzept der Exergie beschrieben. Anschließend die spezifische Anwendung auf die Wärmeerzeuger und Wärmenetze. 2.1 Exergie und Exergie der Wärme Energie kann, genauso wie Masse, weder erzeugt noch vernichtet werden und sie beschreibt die Quantität einer Energieform. Bei einer Umwandlung in eine andere Energieform kann die Seite 3 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 Energie jedoch in ihrer Qualität verringert werden. Die qualitative Bewertung erfolgt über das Konzept der Exergie und den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik [9,10]. Die Exergie eines thermodynamischen Systems ist die maximale, theoretisch nutzbare Arbeit (mechanische oder elektrische Arbeit), die erzielbar ist, wenn das System in vollständiges thermodynamisches Gleichgewicht mit seiner thermodynamischen Umgebung gebracht wird und dabei ausschließlich mit dieser Umgebung interagiert [11]. Energie En besteht demnach aus einem hochwertigen arbeitsfähigen Teil, der Exergie E und einem nicht arbeitsfähigen Teil, der Anergie A (Gleichung 2-1) πΈπ = πΈ + π΄ 2-1 Exergie ist im Gegensatz zur Energie keine Erhaltungsgröße, in technischen Prozessen wird sie verringert, während die Anergie zunimmt. Dies geschieht entsprechend dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik, weil die Entropie eines Systems nur zunehmen oder gleichbleiben, aber ohne die Zufuhr von Arbeit auf keinen Fall abnehmen kann. Dadurch ist auch die Richtung der Energieumwandlung von höherem zu niedrigerem exergetischen Potential beschränkt. Während elektrische, kinetische und potentielle Energie reine Exergie sind, ist bei Wärme die Temperaturdifferenz zwischen System und Umgebung ausschlaggebend. Damit Arbeit aus dem Prozess gewonnen werden kann, muss Energie vom warmen in das kalte Reservoir fließen. Das heißt, es kann nur jener Teil der Energie genutzt werden der über der Umgebungstemperatur Tu liegt. Dieser entspricht der maximalen Arbeit, die von einem Wärmestrom in einer reversiblen Wärmekraftmaschine geleistet werden kann und ist äquivalent dem Carnotwirkungsgrad ππΆ . Die Exergie ππΈΜπ einer Wärme ππΜ mit Temperaturniveau T ist somit: ππΈΜπ = ππΜ π − ππ’ ππ’ = ππΜ β (1 − ) = ππΜ β ππΆ π π 2-2 Der Faktor (1 − ππ’ ⁄π) aus Gleichung 2-2 kann auch als Exergiefaktor πΉππ₯ bezeichnet werden. Allgemein kann die Exergie ππΈΜπ einer Wärme ππΜ beschrieben werden: ππΈΜπ = ππΜ β πΉππ₯ 2-3 Für Wärmequellen mit konstanter Temperatur entspricht der Exergiefaktor dem Carnotwirkungsgrad. Für Stoffströme und nicht konstante Temperaturquellen nimmt er unterschiedliche Formen an. 2.2 Exergie eines Stoffstroms In den bisherigen Betrachtungen zur Exergie der Wärme wurde von einer konstanten Temperatur der Wärmequelle ausgegangen, etwa eine elektrisch beheizte Oberfläche, die bei konstanter Temperatur einen Wärmestrom abgibt. Will man die exergetische Bewertung auf eine Masse oder einen Massenstrom mit einer spezifischen Wärmekapazität anwenden, muss man folgendes beachten: bei Wärmeabgabe oder Wärmeaufnahme ändert sich die Temperatur des Mediums und damit auch die Energiequalität gegenüber dem Umgebungszustand. Die Exergie einer Masse entspricht der Energie die gewonnen werden kann, wenn die Masse mit der Umgebung in das Gleichgewicht gebracht wird [12]. Allgemein gilt für die Exergie eines Stoffstroms, bei Vernachlässigung von potentieller, kinetischer und chemischer Exergie [10]: Seite 4 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien πΈ = π β (β − βπ’ ) − ππ’ β (π − π π’ ) IEWT 2017 2-4 Darin ist h die spezifische Enthalpie der Masse, hu die der Umgebung. Tu ist die entsprechende Umgebungstemperatur in Kelvin, s und su die spezifischen Entropien der Massen und der Umgebung. Gleichung 2-4 lässt sich mithilfe von grundlegenden thermodynamischen Zustandsgleichungen zu Gleichung 2-5 umformen: π πΈ = ∫ π β ππ β (1 − ππ ππ π ) ππ = π β ππ β (ππ − π − ππ β ln ) π ππ 2-5 Der Exergiefaktor hat hier nicht mehr die einfache Form des Carnot-Faktors und fällt geringer aus (Gleichung 2-6). Der Grund liegt darin, dass bei einer Wärmeabgabe die Temperatur des Stoffstromes sinkt und die restliche Wärme auf einem geringeren Temperaturniveau abgegeben wird. πΉππ₯ = 1 − ππ π β ln π − ππ ππ 2-6 In Abbildung 3 ist der Exergiefaktor eines Stoffstroms im Vergleich zum Exergiefaktor einer Wärmequelle mit konstanter Temperatur aufgetragen. Der Faktor ist hier als Betrag aufgetragen, da z.B. für Anwendungen in der Klimatechnik die Wärmemenge, die vom kalten Reservoir entzogen wird, als positiver Wert betrachtet wird. Abbildung 3 Exergiefaktor der Wärme mit konstantem Temperaturniveau im Vergleich zum Exergiefaktor eines Massenstroms, nach [12] 2.3 Exergetische Bewertung von Wärmenetzen Zur exergetischen Bewertung von Wärmenetzen ist die Kenntnis der energetischen Verluste über die Systemgrenzen und die Kenntnis der systeminternen Energieumwandlungen die einen Exergieverlust zur Folge haben wichtig. 2.3.1 Energiebilanz von Wärmenetzen In Abbildung 4 ist das allgemeine Prinzip und die Funktionsweise eines Fernwärmenetzes dargestellt. Von einem Einspeiser wird die Wärme über Leitungen mittels eines Wärmeträgermediums, meist Wasser, durch den Vorlauf zu den Verbrauchern transportiert. In einer Wärmeübergabestation wird die Wärme abgegeben, das Transportmedium kühlt dabei ab. Es fließt dann im Rücklauf zum Erzeuger zurück und kann dort wieder Wärme aufnehmen. Pumpen sorgen beim Transport für den notwendigen Druck. Um eine Energiebilanz für das Seite 5 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 gesamte System aufzustellen, müssen neben der eingespeisten Wärme πΜππ , der abgegebenen Wärme πΜπππ π und der Pumpenleistung πππ’ππ auch die Wärmeverluste über die Rohrleitungen πΜπππ π berücksichtigt werden. πΜππ + πππ’ππ = πΜππ + πΜπππ π 2-7 Abbildung 4 Prinzipieller Aufbau und Energieflüsse eines Fernwärmenetzes Für eine spätere exergetische Bewertung müssen auch die Vorgänge innerhalb des Bilanzgebietes des Fernwärmenetzes betrachtet werden (Abbildung 5). Im Erzeuger wird chemische oder elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Ein Teil der durch die Pumpe aufgebrachte Druck wird über die Rohrreibung abgebaut und dabei in Wärme umgewandelt. Zusätzlich entsteht noch ein Druckabfall in den Wärmeübergabestationen der Verbraucher, in denen das Fluid von Vorlaufniveau auf Rücklaufniveau entspannt wird. Abbildung 5 Modell der Energiebilanz und Energieumwandlungen eines Fernwärmenetzes Es werden sowohl die Rohrleitungen von Vor- als auch Rücklauf betrachtet. Zur Beschreibung der Verluste wird ein Rohrleitungssegment betrachtet. Der Durchfluss ist konstant, es handelt sich um ein geschlossenes System ohne Stoffaustausch mit der Umgebung. Der Druckverlust ist abhängig von der Reibung zwischen Fluid und Rohrwand, wobei Pumpenleistung in Wärme umgewandelt wird. Über die Rohrwand wird aufgrund des Temperaturgradienten zwischen Fluid und Umgebung Wärme abgegeben. Der Temperaturgradient und der Wärmedurchgang bestimmen den Wärmeverlust. Seite 6 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 Abbildung 6 Kontrollvolumen für eine Innenrohrströmung [4] Die Energiebilanz für ein differentiell kleines Kontrollvolumen dx eines Rohres wird in Gleichung 2-8 beschrieben. Auf der linken Seite stehen die Energieflüsse, die in das Kontrollvolumen zugeführt werden. Dies sind der Massenfluss πΜ mit der Wärmekapazität cp und Temperatur T, sowie die Pumpenleistung ππΜ = ππ, die in Wärme umgewandelt wird. Auf der rechten Seite stehen die aus dem Kontrollvolumen austretenden Energieflüsse, der Massenfluss πΜ mit der Wärmekapazität cp und Temperatur T+dT und die Verlustwärme ππΜπΏ . πΜ β ππ β π + ππ = πΜ β ππ β (π + ππ) + πΜ ππΏ 2-8 Die Energiebilanz für die Wärmeübergabestation wird analog hergeleitet. Hierbei muss zusätzlich die an den Verbraucher abgegebene Wärme berücksichtigt werden. Die Wärmeverluste werden vernachlässigt. 2.3.2 Exergieverluste und Exergiebilanz Der Exergieanteil von Raumwärme liegt bei etwa 7% 2 und ist durch den Behaglichkeitsbereich der Raumtemperatur von 20-25°C vorgegeben [13]. Werden hochexergetische Energieträger wie zum Beispiel Strom oder Gas zur Wärmebereitstellung verwendet, treten vor allem bei der Umwandlung des Primärenergieträgers in Wärme hohe exergetische Verluste auf (Abbildung 7 links). Diese Verluste können nur durch die Verwendung von niedrigexergetischen Energiequellen, wie zum Beispiel Abwärme oder Solarthermie, vermieden werden (Abbildung 7 rechts). Abbildung 7 Energie- und Exergieflüsse bei Wärmeversorgung mittels Gaskessel und Abwärmenutzung 2 Bei einer Außentemperatur von 0°C Seite 7 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 Die in Fernwärmesystemen auftretenden Exergieverluste sind in Abbildung 8 beschrieben. Dies sind einerseits Exergieverluste über die Systemgrenze („exergy-loss“) und andererseits Exergieverluste durch irreversible Umwandlung oder Wärmeübertragung im System („exergydestruction“). Abbildung 8 Modell der Exergiebilanz eines Fernwärmenetzes Die größten Exergieverluste entstehen in der Regel bei der Umwandlung der Primärenergie in Wärme. Sie hängen vom Exergiegehalt der Primärenergieform und den Temperaturniveaus von Vorlauf Tsf bzw. Rücklauf Trf ab. Bei rein exergetischen Energieträgern wie zum Beispiel Erdgas oder Strom wird der Exergieverlust πΈΜππ wie folgt berechnet, wobei πΜ die eingespeiste Wärmeleistung ist. πΈΜππ = πΜ β ππ π ππ’ β ln ( ) ππ π − πππ πππ 2-9 Stammt die eingespeiste Wärme aus einer Kraft-Wärme-Kopplung, ist neben der gewonnenen Wärme auch die Produktion von Strom zu berücksichtigen. Wird ein ausschließlich exergetischer Brennstoff, wie zum Beispiel chemisch gebundene Energie in der Form von Erdgas, eingesetzt, kann der Exergieverlust mit Gleichung 2-10 berechnet werden. πΜπ΅ ist die Brennstoffleistung, πππ_πΎπ der produzierte Strom und πΜπ die produzierte Wärme. πΈΜππ = πΜπ΅ − πππ_πΎπ − πΜπ β ( ππ π ππ’ β ln ( )) ππ π − πππ πππ 2-10 Wird zur Wärmeproduktion eine Kompressionswärmepumpe verwendet, wird elektrische Leistung πππ_ππ zum Antrieb des Kompressors benötigt. Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch die Leistungszahl COP beschrieben. Sie ist das Verhältnis von produzierter Wärme πΜπ zu eingesetztem Strom πππ_ππ und immer größer als 1. Der Exergieverlust beim Einsatz einer Wärmepumpe ist demzufolge: πΈΜππ = πππ_ππ − πΜπ β ( ππ π ππ’ β ln ( )) ππ π − πππ πππ Seite 8 von 16 2-11 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 Bei der Nutzung von Abwärme werden die Verluste πΈΜπ£ nach Gleichung 2-12 berechnet. Dabei sind die Temperaturen der Primärseite, also des wärmeabgebenden Stroms im Wärmetauscher, von entscheidender Bedeutung. πππΏ bzw. πππ» sind die logarithmischen Mitteltemperaturen der kalten bzw. heißen Seite. 2 (πππ» − πππΏ ) πΈΜπ£ = πΜπ β ππ’ β πππ» − πππΏ 2-12 Direkte Exergieverlustleistungen entstehen durch die Wärmeverluste über die Rohrleitungen, wobei für den Wärmeverlust die Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur entscheidend ist. Dieser kann entsprechend der Gleichung πΈΜπππ = πΜπππ β (1 − ππ’ π1 β ln ( )) π1 − π2 π2 2-13 berechnet werden, wobei Tu die Umgebungstemperatur und T1 bzw. Wassertemperaturen am Ein- bzw- Austritt des betrachteten Rohrsegments sind. T2 die Der Druckverlust in den Rohrleitungen und den Wärmeübertragerstationen verursacht Exergieverluste aufgrund der Umwandlung von hochexergetischer Elektrizität in qualitativ niederwertige Wärme. Die Verluste lassen sich wie folgt berechnen πΈΜπππ’ = πππ’ − πππ’ β (1 − ππ’ ππ’ ) = πππ’ β πππ πππ 2-14 wobei Tpl bei Rohrleitungen der arithmetische Mittelwert der Temperaturen an Ein- bzw. Austritt ist. Bei den Wärmeübertragerstationen wird angenommen, dass der gesamte Druck bei der Rücklauftemperatur Trf in Wärme umgewandelt wird Durch Umformen von Gleichung 2-5 kann die ins Netz eingespeiste Exergie πΈππΜ und die in den Μ berechnet werden. Dazu müssen die Wärmeübergabestationen abgegebene Exergie πΈππ Temperaturniveaus von Vorlauf Tsf bzw. Rücklauf Trf eingesetzt werden. πΈππΜ = πΜ β (1 − ππ π ππ’ β ln ( )) ππ π − πππ πππ 2-15 Μ = πΜ β (1 − πΈππ πππ ππ’ β ln ( )) πππ − ππ π ππ π 2-16 Mit den eingespeisten Exergien der Wärme πΈΜπ und der Pumpe πππ’ sowie der abgegebenen Μ und den Exergieverlusten lässt sich die Exergiebilanz für ein Fernwärmenetz wie Exergie πΈππ folgt formulieren: Μ + πΈΜπ + πΈΜπ + πΈΜπ πΈΜπ + πππ’ = πΈππ π ππ ππ’ 2-17 Als Bewertungsmaßstab für die Qualität der Energienutzung in der Wärmeversorgung kann der exergetische Wirkungsgrad πππ₯ definiert werden. Er ist das Verhältnis von abgegebener zu aufgewendeter Exergie. πππ₯ = πΈΜππ πΈΜπ + πππ’ Seite 9 von 16 2-18 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 3 Fallstudie Das entwickelte Werkzeug zur exergetischen Bewertung wird auf ein Nahwärmenetz mit einer Trassenlänge von 3.5 km und einer Jahreswärmeabgabe von 3.5 GWh angewendet. Mit PSS Sincal wurde ein Netzmodell für die energetischen sowie hydraulischen Berechnungen erstellt. Die dafür notwendigen Daten wurden von den Betreibern zur Verfügung gestellt. Von ausgewählten Wochen im Frühjahr, Sommer, Herbst und Winter sind gemessene Verbrauchsdaten der Kunden vorhanden. Vom Heizwerk steht eine Jahresdauerlinie der Wärmeproduktion zur Verfügung. Die Vorlauftemperatur beträgt 84°C, die Rücklauftemperatur 55°C. Als Umgebungstemperaturen in den betrachteten Zeiträumen stehen als Messwerte von der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik zur Verfügung. Die berechneten Daten werden mit Matlab aus PSS Sincal ausgelesen und anschließend mit dem in Abschnitt 2 beschriebenen Formelwerk exergetisch bewertet. 3.1 Versorgungsszenarien Für das Wärmenetz wurden vier unterschiedliche Einspeiservarianten exergetisch bewertet. Drei davon sind reine Wärmeversorgung (Gaskessel, Wärmepumpe, industrielle Abwärme), zusätzlich wird noch eine kombinierte Versorgung mit Strom und Wärme aus Kraft- WärmeKopplung, Wärmepumpe und Spitzenlastgaskessel untersucht. Bei der reinen Wärmeversorgung wird angenommen, dass ein Wärmeerzeugungsaggregat den gesamten Leistungsbereich abdeckt. Der Gaskessel und die Abwärmeübergabestation werden als verlustfrei betrachtet. Für die Wärmepumpe wurde ein COP in Abhängigkeit der Temperaturspreizung zwischen Umgebungstemperatur Tu und Vorlauftemperatur Tsf bestimmt. Der thermodynamisch maximal erreichbare COPC, dieser ist das Äquivalent zum Carnotwirkungsgrad, ist dann: πΆπππΆ = ππ π − ππ’ ππ π 3-1 Reale Anlagen erreichen in etwa COP-Werte die etwa die Hälfte des Maximalen betragen. Die für die Berechnung gewählte Leistungszahl ist somit COP = 0.5*COPC. Bei der kombinierten Versorgung wird die Grundlast durch ein Blockheizkraftwerk abgedeckt. Die mittleren Leistungsspitzen werden durch eine Wärmepumpe, die den Abgasstrom der KWK als Wärmequelle nutzt, abgedeckt. Aufgrund der hohen Abgastemperaturniveaus kann für Hochtemperatur-Rauchgaskondensationswärmepumpen ein COP = 4 angenommen werden [14]. Zusätzlich steht zur Abdeckung von Höchstlasten noch ein Spitzenlastbrenner zur Verfügung. Die KWK-Anlage ist vom Typ 530MAN-EG, die Kenndaten sind in Tabelle 1 aufgelistet. Tabelle 1 Kenndaten BHKW 530MAN-EG [15] Typ Pel in Kw Pth in kW PB in kW ηel ηth 530MAN-EG 1341 0,395 0,483 530 648 Seite 10 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 Übersteigt der Wärmebedarf die Nennleistung des BHKWs, wird eine Wärmepumpe mit maximal 152 kW Nennleistung hinzugeschaltet. Nur absolute Spitzenleistungen über 800 kW werden durch den Gasbrenner abgedeckt (Abbildung 9). Abbildung 9 Dauerlinie des Wärmebedarfs der Wintermonate und Auslegung der Einspeiser im kombinierten Fall 4 Ergebnisse Um die unterschiedlichen Einspeisertechnologien im Hinblick auf die Exergieeffizienz der Wärmebereitstellung vergleichen zu können, wurde für die betrachteten Zeiträume die Exergieeffizienz der Wärmeversorgung berechnet. Die Ergebnisse der energetischen Berechnung mit PSS Sincal sind in Tabelle 2 aufgeführt. Sie sind für alle untersuchten Einspeiservarianten gleich. In der untersuchten Sommerwoche wird signifikant weniger Wärme benötigt als in den restlichen Wochen. Während der Heizsaison bleiben die Wärmeverluste über die Rohrwände annährend konstant, in der Sommerwoche sind sie ebenso wie die Wärmeeinspeisung niedriger, jedoch anteilsmäßig doppelt so groß wie in der Winterwoche. Tabelle 2 Wärmeeinspeisung, benötigte Pumpenarbeit und Wärmeverluste des Wärmenetzes 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 Der Wärmeverbrauchlastgang zeigt einen deutlichen Unterschied zwischen Tag und Nacht (Abbildung 10). Ebenso sind Unterschiede zwischen Wochenende und Wochentag zu erkennen. Die Pumpenleistung ist vernachlässigbar gering. Den größten Anteil der Exergieverluste im Rohrleitungssystem nehmen die Wärmeverluste ein, gefolgt vom Druckabbau bei den Verbrauchern. Die Rohrreibungsverluste sind im Vergleich dazu untergeordnet (Abbildung 11). Die Exergieverluste im Wärmenetz sind vor allem bei der Nutzung hochexergetischer Energieträger, klein gegenüber den Primärexergieverlusten im Erzeuger (Abbildung 12) Seite 11 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 Abbildung 10 Wärmeeinspeisung und benötigte Pumpenleistung. Abbildung 11 Exergieverluste im Wärmenetz. Abbildung 12 Exergieverluste im Wärmeversorgungssystem bei Versorgung mit einem Gaskessel. Die Verluste im Netz beinhalten die Wärmeverluste, die Rohrreibung und den Druckabbau in den Wärmeübergabestationen. Seite 12 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 In Abbildung 13 sind die Exergieverluste und die an die Verbraucher abgegebene Exergie bezogen auf ins Wärmenetz eingespeiste Energie (Wärme und Pumpenarbeit) dargestellt. Die exergetisch größten Verluste entstehen in jeder der betrachteten Wochen bei der Versorgung mit einem Gaskessel. Die exergetischen Netzverluste (Wärmeverluste, Rohrreibung, Druckabfall in den Wärmeübergabestationen) bewegen sich im niedrigen bis mittleren einstelligen Prozentbereich. Durch die Verwendung niedrigexergetischer Wärmequellen können die Verluste im Wärmeerzeuger reduziert werden. Die anteiligen Exergieverluste zeigen keine große Veränderung über den betrachteten Zeitraum. Abbildung 13 Exergieverluste und an den Verbraucher abgegebene Exergie bezogen auf die eingespeiste Energie (Wärme und Pumpenarbeit) für unterschiedliche Einspeiser (Gas-Gaskessel, WPWärmepume, AW-Abwärme) Die Ergebnisse der exergetischen Untersuchung sind in Tabelle 3, Tabelle 4 und Tabelle 5 dargestellt. Der Exergieaufwand des Erzeugers beinhaltet die benötigte Exergiemenge zur Wärmeerzeugung und die Pumpenarbeit. In der Sommerwoche ist die Exergieeffizienz aufgrund der höheren Umgebungstemperaturen und der anteilig höheren Netzverluste um bis zur Hälfte niedriger als in den restlichen betrachteten Zeiträumen. Die exergieeffizienteste Wärmeversorgung ist die Abwärme, gefolgt von der Wärmepumpe und dem Gaskessel. Tabelle 3 Ergebnisse Exergieanalyse Versorgung mit Gaskessel Winterwoche Exergieaufwand Erzeuger in MWh Erzeugerverluste in MWh Netzverluste in MWh Exergieeffizienz Frühlingswoche Sommerwoche Herbstwoche 112.3 91.9 25.6 51.1 90.2 74.8 22.4 43.1 3.9 3.5 1.5 2.5 0.17 0.16 0.08 0.11 Tabelle 4 Ergebnisse Exergieanalyse Versorgung mit Wärmepumpe Seite 13 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien Winterwoche Exergieaufwand Erzeuger in MWh Erzeugerverluste in MWh Netzverluste in MWh Exergieeffizienz IEWT 2017 Frühlingswoche Sommerwoche Herbstwoche 52.0 29.9 40.9 23.7 8.6 5.3 20.0 12.0 3.9 3.5 1.5 2.5 0.37 0.35 0.22 0.29 Tabelle 5 Ergebnisse Exergieanalyse Versorgung mit Abwärme Winterwoche Exergieaufwand Erzeuger in MWh Erzeugerverluste in MWh Netzverluste in MWh Exergieeffizienz Frühlingswoche Sommerwoche Herbstwoche 28.6 6.5 22.5 5.4 4.8 1.6 11.2 3.1 3.9 3.5 1.5 2.5 0.66 0.63 0.40 0.52 Auch bei einer Wärmeversorgung durch KWK, Wärmepumpe und Spitzenlastkessel (kombinierter Fall) nehmen die Exergieverluste im Einspeiser den größten Anteil (Abbildung 14), vorwiegend verursacht durch die Umwandlung von chemischer Energie in Wärme, ein. Die zusätzliche Nutzung der Energie auf höherem Temperaturniveau zur Stromproduktion ermöglicht eine insgesamt höhere exergetische Energieausnutzung verglichen zur Wärmebereitung mit einem Gaskessel. Abbildung 14 Exergieverluste und an die Verbraucher abgegebene Exergie und Strom bezogen auf den benötigten Erdgasbedarf Aus denselben Gründen wie bei den vorhergehenden Szenarien ist die Exergieeffizienz in der betrachteten Sommerwoche am geringsten. Der Einfluss von Wärmepumpe und Spitzenlastbrenner auf die Exergieeffizienz in der Winter- und den Übergangswochen ist aufgrund der geringeren bereitgestellten Energiemenge sehr klein. Seite 14 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 Tabelle 6 Ergebnis Exergieanalyse Versorgung mit KWK, Wärmepumpe und Spitzenlastkessel Winterwoche Erdgasaufwand in MWh Frühlingswoche Sommerwoche Herbstwoche 215.3 187.2 52.9 105.6 Stromeinspeisung in MWh 84.0 74.1 20.9 41.8 Erzeugerverluste in MWh 111.3 96.7 28.9 56.0 19.0 14.2 1.9 5.8 3.9 3.5 1.5 2.5 0.48 0.47 0.43 0.45 Exergieabgabe Verbraucher in MWh Netzverluste in MWh Exergieeffizienz 5 Zusammenfassung und Ausblick In der vorliegenden Arbeit wurde ein Werkzeug zur exergetischen Analyse von Fernwärmeversorgungssystemen vorgestellt. Damit können unterschiedliche Versorgungsszenarien für beliebige, in PSS Sincal modellierte Fernwärmenetze untersucht werden. Es werden sowohl die Exergieverluste im Netz als auch die Verluste beim Einspeiser abgebildet. Neben einzelnen Lastpunkten können auch Zeitreihen über längere Zeiträume betrachtet werden. Zeitreihen sind besonders wichtig, wenn der Einfluss nicht regelbarer erneuerbarer Einspeiser und thermischer Speicher bewertet werden soll. Deren Einbindung und Bewertung sind nächste mögliche Entwicklungsschritte. Speziell bei einem zukünftigen Energiesystem mit hohen Anteilen an erneuerbaren Energien im Stromnetz wird es zu Stromüberschüssen kommen, für die keine hochexergetische Anwendungsmöglichkeit besteht. Die qualitative Bewertung dieser Energien ist noch ungeklärt. Abschließend sind noch die ökonomischen Auswirkungen einer exergiegerechten Fernwärmeversorgung zu überprüfen. 6 Literatur [1] United Nations, United Nations Framework Convention on Climate Change: Adoption of the Paris agreement, Paris, 2015. [2] World energy outlook 2008, OECD/IEA, Paris, 2008. [3] ifeu - Institut für Energie- und Umweltforschung Heidelberg GmbH, Die Nutzung von Exergieströmen in kommunalen Strom-Wärme-Systemen zur Erreichung der CO2Neutralität von Kommunen bis zum Jahr 2050, Heidelberg, 2014. [4] A. Ljubenko, A. Poredoš, T. Morosuk, G. Tsatsaronis, Performance Analysis of a District Heating System, Energies 6 (2013) 1298–1313. [5] K. ÇomaklΔ±, B. Yüksel, Ö. ÇomaklΔ±, Evaluation of energy and exergy losses in district heating network, Applied Thermal Engineering 24 (2004) 1009–1017. Seite 15 von 16 10. Internationale Energiewirtschaftstagung an der TU Wien IEWT 2017 [6] M. Gong, S. Werner, Exergy analysis of network temperature levels in Swedish and Danish district heating systems, Renewable Energy 84 (2015) 106–113. [7] I. Baldvinsson, T. Nakata, A feasibility and performance assessment of a low temperature district heating system – A North Japanese case study, Energy 95 (2016) 155–174. [8] H. Li, S. Svendsen, Energy and exergy analysis of low temperature district heating network, Energy 45 (2012) 237–246. [9] H.D. Baehr, S. Kabelac, Thermodynamik: Grundlagen und technische Anwendungen, 15th ed., Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg, 2012. [10] W. Fratzscher, V. Brodjanskij, K. Michalek, Exergie: Theorie und Anwendung, Springer Verlag, 2013. [11] G. Tsatsaronis, Definitions and nomenclature in exergy analysis and exergoeconomics, Energy 32 (2007) 249–253. [12] Fraunhofer IBP, Low Exergy Systems for High-Performance Buildings and Communities: ECBCS Annex 49 Final Report, 2011. [13] L. Kranzl, LowEx – Das Konzept der Exergie in energieökonomischen Analysen: Berichte aus Energie und Umweltforschung, 2011, http://www.nachhaltigwirtschaften.at/iea_pdf/endbericht_201241_lowex.pdf, accessed 19 January 2015. [14] FRIGOPOL Kälteanlagen GmbH, Hochtemperatur Wärmepumpe: FHTHP 1000-Serie, 2014. [15] Arbeitsgemeinschaft für sparsamen und umweltfreundlichen Energieverbrauch e.V., BHKW-Kenndaten 2014/2015: Module, Anbieter, Kosten, Berlin, 2014. Seite 16 von 16
