Dynamische Simulation als Tool zur Verbesserung der Effizienz von Energiesystemen

Abstract

Die Erhöhung der Energieeffizienz industrieller Prozesse ist ein vielfach untersuchter Weg, um CO2-Ausstoß und Energieverbrauch zu reduzieren. Dennoch stellt die Analyse und Reduktion der Verluste und Ineffizienzen aufgrund dynamischer Betriebsvorgänge einen Bereich dar, wo weitere Optimierungspotentiale zu erforschen sind. Aus diesem Grund wurden in der vorliegenden Arbeit die zeitlichen Änderungen der Prozessdynamik verschiedener Energieanlagen untersucht und modelliert.<br />Die erstellten Modelle sind realitätsnah und erlauben es, Maßnahmen zu testen und deren Auswirkungen auf die Anlagenparameter vorauszusagen.<br />Diese Arbeit zeigt durch mehrere Anwendungsbeispiele, wie Verbesserungen der strukturellen Energieeffizienz sowie der operativen Effizienz bei Energiesystemen mit Hilfe der dynamischen Simulation erreicht werden können.<br />Ein Überblick über den aktuellen Methoden der Effizienzverbesserung und der Prozesssimulation zeigt, dass eine Abbildung der physikalische Vorgängen (Strömungs- und Wärmeübertragungsphänomene) kombiniert mit einer heuristischen Herangehensweise ein fortschrittliche Kompromiss für die modellbasierte Optimierung der betrachteten Systemen darstellt.<br />Die für diese Arbeit analysierten Systeme - ein Solardampferzeuger sowie die Dampf- und Heißwassernetze eines Hüttenwerks - adressieren eine Vielfalt an Fragestellungen an den dynamischen Modellen. Zur Problemlösung werden konstruktiven und regelungstechnischen Verbesserungen der Prozesse untersucht.<br />Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, wie vor dem Bau eines Dampferzeugers die Stabilität des Naturumlaufes während der Anfahrphase geprüft werden kann. Es werden auch Ansätze gezeigt, um die Startphase des Dampferzeugers zu verkürzen und somit die Effizienz der Anlage zu verbessern. Weiters wird beschrieben, wie die Verbesserung der Medienqualität eines weitverzweigten Dampfnetzes mit einer dynamischen Simulation unterstütz wird. Die Beispiele zeigen auch wie die Auswirkungen durch Umbauten der Anlagen oder geänderte Regelungsparameter auf die Gesamtsysteme abgeschätzt werden können.<br />Zusätzlich werden mit den Modellen Störfälle simuliert und Gegenmaßnahmen, um deren Folgen zu vermeiden, entwickelt und getestet.<br />Eine generelle Problemlösungsmethode wird schlussendlich aus den gesammelten Erfahrungen entwickelt. Diese Methode bietet ein Mittel, in Energiesystemen dynamische Phänomene zu analysieren und durch den Einsatz von dynamischen Simulationstools Prozessverbesserungen am effizientesten zu bewerten. Diese Vorgehensweise trägt zur Entwicklung des Zukunftskonzepts "Digitale Fabrik" für Energiesysteme bei.<br />

The enhancement of industrial processes efficiency is a wide studied topic and well known way to reduce the CO2-emissions. However the analysis and reduction of the losses and inefficiencies due to transient operating phases is a domain, where potential improvements are still to discover. The time dependent behaviors of different energy systems are therefore analyzed and modeled in the present work. The developed models are close to reality and enable the prediction on the unit operating parameters of the impact of improving measures. This work shows through several practical examples, how enhancements of the energy- as well as operative efficiency can be achieved on energy systems with the help of dynamic simulation.<br />An overview on the actual energy efficiency improvement methods and process simulation methods first shows that the modeling of the physical phenomena (heat and mass transfer) combined with heuristics offer a progressive compromise in order to carry out a model based optimization of the considered energy systems.<br />The analyzed systems - a solar power plant steam generator as well as the steam and hot water distribution networks of an integrated iron and steel works - address variate questions to dynamic models. In order to solve the related problems, constructive and control oriented solutions are inquired.<br />The results of the investigations show how in a solar steam generator the stability of the natural circulation can be checked during the start-up phase, even before the construction of the unit. Findings also suggest possibilities to reduce the start-up procedure duration, thus enabling an increase of the unit efficiency. Furthermore it is described how dynamic simulation is used to realize some enhancements of the steam quality in a widely ramified steam network. The practical examples also show how structural changes or modified control parameters impact the operating conditions and efficiencies of the steam and hot water networks. In addition some incidental scenarios were simulated.<br />Counteractive measures were then developed and tested to reduce negative aftermath on the systems.<br />Finally a general problem solving method is developed out of the gathered experience. This method suggests how transient behavior should be analyzed for energy systems and how process improvements can be efficiently assessed through the use of dynamic simulation tools. The presented approach contributes to the future concept of the "digital manufacturing".