Anlagenbilanzierung in der Energietechnik

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Während sich die Planung und Optimierung verfahrens- und energietechnischer Prozesse in der Vergangenheit im überwiegenden Maße der Anwendung von Heuristiken oder Versuchen bediente, sind in der heutigen Zeit detaillierte Anlagenplanungen unverzichtbar. Das Ziel dieser Planungen ist es, die Anlage optimal an die Rahmenbedingungen anzupassen und den Betrieb entsprechend wirtschaftlich, ökologisch und sozial effizient zu gestalten.

Dazu sind detaillierte Kenntnisse der Stoff- und Energieströme der Anlagen erforderlich. Diese werden durch Bilanzierungsrechnungen bestimmt. Auf die Facetten und Hintergründe der Anlagenbilanzierung in der Energietechnik wird in diesem Kapitel hingewiesen.

Stefan Rönsch

2. Energieanlagen

Zusammenfassung

Zur Energieversorgung von Industrieprozessen, Gewerbe und Haushalten kommen unterschiedliche Anlagen zum Einsatz. Kenntnisse des Aufbaus dieser Anlagen sind eine elementare Voraussetzung für deren Bilanzierung. In diesem Kapitel werden daher ausgewählte Vertreter derzeit eingesetzter Energieanlagen – gegliedert entsprechend der Art der eingesetzten Brennstoffe – beschrieben. Der Fokus der Ausführungen liegt auf Anlagen zur Produktion von Strom und chemischen Sekundärenergieträgern.

Stefan Rönsch

3. Programme zur Anlagenbilanzierung

Zusammenfassung

Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden unterschiedliche Programme zur Anlagenbilanzierung entwickelt. Im Allgemeinen wird bei der Verwendung dieser Programme das Fließschema der zu bilanzierenden Anlage aus vorgefertigten, mathematischen Modellen, welche den Komponenten der Anlage (z. B. Reaktoren, Wärmetauscher oder Kompressoren) entsprechen, zusammengesetzt. Die Programme werden daher auch als Fließschemasimulationsprogramme bezeichnet. Eine Auswahl am Markt verfügbarer Programme sowie wesentliche Programmmerkmale werden in diesem Kapitel vorgestellt.

Stefan Rönsch

4. Grundlagen der Thermodynamik

Zusammenfassung

Bei der Bilanzierung von Energieanlagen werden die verfahrenstechnischen Komponenten mit Hilfe von Modellen abgebildet. Dabei erfordert die Entwicklung der Modelle hinreichende thermodynamische Kenntnisse. Die Grundlagen der Thermodynamik werden daher in diesem Kapitel erläutert. Im Fokus stehen Systeme, Stoffklassen, Zustandsgrößen, Zustandsgleichungen sowie für die Modellierung bedeutende energetische Begriffe wie Energie, Leistung, Arbeit und Wärme.

Stefan Rönsch

5. Grundlagen der Bilanzierungsrechnung

Zusammenfassung

Zur Planung und Optimierung energietechnischer Anlagen werden die Stoff- und Energieströme der Anlagen sowie entsprechende Zustandsgrößen bestimmt. Die Berechnung der in einen Bilanzraum ein- und austretenden Ströme wird dabei als Bilanzierung bezeichnet. Diese wird für unterschiedliche Bilanzgrößen (z. B. Masse, Energie) in gesonderten Bilanzgleichungen durchgeführt (entsprechend Massenbilanz, Energiebilanz). Grundsätzlich kann bei der Bilanzierung zwischen stationären und instationären Berechnungen unterschieden werden.

In diesem Kapitel wird die Formulierung stationärer und instationärer Bilanzgleichungen vorgestellt. Anschließend folgt eine Erläuterung von Methoden zur Auswertung und Darstellung von Bilanzierungsergebnissen.

Stefan Rönsch

6. Grundlagen der Reaktionsrechnung

Zusammenfassung

Bei der Modellierung chemischer Prozesse in energietechnischen Anlagen liegt das Augenmerk im Allgemeinen auf der Beschreibung von Reaktionsumsätzen . Diese können durch eine mathematische Funktion in Abhängigkeit der Reaktionszeit oder zeitunabhängig abgebildet werden.

Bei zeitunabhängigen Modellierungen wird der Umsatz beziehungsweise die Verteilung der Edukte und Produkte als Funktion von Druck und Temperatur formuliert. Dazu wird angenommen, dass die Edukte und Produkte im chemischen Gleichgewicht bei einer theoretisch unendlichen Reaktionszeit vorliegen. Zeitabhängige Modellierungen finden hingegen insbesondere für Reaktionsabläufe Anwendung, bei denen der Gleichgewichtszustand aufgrund unzureichender Reaktionszeiten nicht erreicht wird. Bei dieser Modellierungsform wird der Reaktionsumsatz (zusätzlich zu den Einflussgrößen Druck und Temperatur) als Funktion der Reaktionszeit ausgedrückt.

Sowohl Gleichgewichtsrechnungen als auch kinetische, also zeitabhängige, Berechnungsmethoden werden in diesem Kapitel vorgestellt.

Stefan Rönsch

7. Grundlagen der Phasengleichgewichtsrechnung

Zusammenfassung

Bei der Bilanzierung und Auslegung energietechnischer Anlagen ist häufig die Berechnung von Phasengleichgewichten erforderlich. Phasengleichgewichte zwischen Dampf und Flüssigkeit treten einerseits bei der thermischen Stofftrennung in Destillations- und Rektifikationskolonnen auf. Andererseits stellt sich bei einer Vielzahl wärmetechnischer Prozess – etwa in Verdampfern oder Kondensatoren – ein Gleichgewicht zwischen flüssigen und dampfförmigen Phasen ein. Die Grundlagen der Phasengleichgewichtsrechnung werden daher in diesem Kapitel vorgestellt.

Stefan Rönsch

8. Stoffwerte und Stoffklassen

Zusammenfassung

Bei der Bilanzierung von Energieanlagen werden die Zustandsänderungen der Medien sowie damit verbundene Energie- und Stoffumwandlungen berechnet. Die Zustandsänderungen werden dabei durch Stoffwerte beeinflusst.

Relevante Formeln für Stoffwerte und Zustandsgleichungen von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen werden in diesem Kapitel vorgestellt.

Stefan Rönsch

9. Modellierung stationär betriebener Anlagenkomponenten

Zusammenfassung

Die Modellierung der Komponenten energietechnischer Anlagen bildet die Grundlage zur Berechnung von Massen- und Energiebilanzen. Die Gestaltung der Modelle hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis der Bilanzierung. Entsprechend erlaubt erst eine tiefergehende Kenntnis der Modellierungsansätze sowie der zu Grunde liegenden Annahmen und Vereinfachungen eine fundierte Interpretation der Ergebnisse. In diesem Kapitel werden daher sowohl die thermodynamischen Modellierungsansätze zur Beschreibung stationärer Betriebszustände von Komponenten energietechnischer Anlagen als auch ausgewählte Rechenbeispiele vorgestellt.

Stefan Rönsch

10. Modellierung instationär betriebener Anlagenkomponenten

Zusammenfassung

Im Zuge der Umgestaltung des Energiesystems durch die Integration erneuerbarer Energien steigt der Bedarf an lastflexiblen Energiebereitstellungskonzepten. Entsprechend gewinnen neben der Berechnung von Bilanzgrößen in festen Betriebszuständen vermehrt Betrachtungen des instationären Anlagenverhaltens und zeitabhängiger Lastkurven an Bedeutung. In diesem Kapitel werden daher die thermodynamischen Modellierungsansätze von instationär betriebenen Anlagenkomponenten erläutert. Anschließend werden ausgewählte Rechenbeispiele der Modellierungsansätze dargestellt.

Stefan Rönsch

11. Numerik stationärer Bilanzierungsrechnungen

Zusammenfassung

Bei Bilanzierungen und Simulationen von Anlagenkomponenten in stationären Betriebszuständen werden die Massen- und Energieströme sowie Zustandsgrößenn und Stoffwerte an den Systemgrenzen der Komponenten berechnet. Der Begriff stationär bezieht sich in diesem Zusammenhang auf einen definierten, im Betrachtungszeitraum unveränderlichen Betriebspunkt (z. B. der Nennbetriebspunkt). Zur Berechnung der genannten Größen sind unterschiedliche Arbeitsschritte erforderlich. Zu diesen zählen die Formulierung der Bilanzgleichungen, deren Zusammenführung zu Gleichungssystemen und die Lösung der Gleichungssysteme. Die drei Arbeitsschritte werden in diesem Kapitel erläutert.

Stefan Rönsch

12. Numerik instationärer Bilanzierungsrechnungen

Zusammenfassung

Bei der Bilanzierung von Energieanlagen mit instationären Betriebszuständen wird im Unterschied zu stationären Bilanzierungsrechnungen das zeitabhängige Übertragungsverhalten der Anlagenkomponenten abgebildet. Das Ergebnis der Bilanzierung sind zeitliche Verläufe der Massen- und Energieströme sowie der Zustandsgrößen und Stoffwerte an den Bilanzgrenzen der Komponenten. Bei ortsaufgelösten Modellierungen werden die zeitlichen Verläufe zudem in Abhängigkeit einer oder mehrerer Ortskoordinaten in den Komponenten wiedergegeben. Die mathematische Abbildung des Übertragungsverhaltens sowie die numerische Behandlung der entsprechenden Gleichungssysteme sind in der Regel aufwändiger als bei der Modellierung stationär betriebener Komponenten. Das Vorgehen zur numerischen Behandlung zeit- und ortsaufgelöster Modelle wird in diesem Kapitel erläutert.

Stefan Rönsch

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