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Passgenaue Auslegung: Mittels dynamischer Simulation lassen sich KW(K)K-Anlagen besser und wirtschaftlicher planen. Bild: Cherezoff/iStockphoto, Limon
Kraftwerke & Energieanlagen

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Dynamische Systeme verstehen

Text: Dr. Mark Junge, Jochem Maliga, Frederik Halfar, Limón
Versorgungssysteme in Industrie und Gewerbe sind oft so komplex, dass eine schlanke und wirtschaftliche Auslegung nahezu unmöglich scheint. Simulationen helfen, das Anlagenverhalten während der Planung mit Blick auf Versorgungssicherheit und Wirtschaftlichkeit zu bewerten. Voraussetzung sind die passenden Simulationstools.

Wärme- oder Wärme-/Kältenetze in Indus­trie und Gewerbe zeichnen sich durch eine Vielzahl von Ab­hängigkeiten verschiedener Systemkom­ponenten untereinander aus. Gängige statische Auslegungsverfahren berücksich­tigen die resultierenden unterschiedlichen Betriebszustände der gesamten Anlage nur ungenügend. Das Ergebnis sind unzureichend angepasste Wärmerzeugungsanlagen.

Statisch überdimensioniert

Die Komplexität solcher Netze ergibt sich durch die Kombination verschiedener Elemente:

  • unterschiedliche Abnehmer mit divergierenden Lastverläufen und gegebenenfalls auch zeitabhängigen Anforderungen an das Temperaturniveau (etwa Prozess-, Heiz- und Warmwasserwärme oder der Bedarf einer Absorptionskältemaschine),

  • verschiedene Wärmequellen mit ebenfalls voneinander abweichenden Bereitstellungsprofilen und Temperaturen wie beispielsweise Brenner, BHKW, solarthermische Anlagen oder Abwärmequellen,

  • Verteilkreise mit unterschiedlichen Temperatur- oder Druckniveaus und

  • Wärme- oder Kältespeicher mit ihrem starken Einfluss auf das dynamische Verhalten, wozu insbe­sondere bei ausgedehnten Netzen auch die Leitungen zu rechnen sind.

Die üblichen statischen Berechnungsverfahren, die anhand der Jahresdauerlinie und eventuell der exemplarischen Analyse von Tageslastgängen zur Auslegung der Anlagen dienen, bilden die gegenseitigen Abhängigkeiten der Systembestandteile nur unzureichend ab. In der Folge sollen Sicherheitszuschläge die Versorgungssicherheit bei der Anlagenplanung gewährleisten.

Erfolgt dies in den verschiedenen Planungsphasen mehrfach und muss aufgrund der am Markt verfügbaren Komponentengrößen noch eine weitere Erhöhung der Leistungsgröße hingenommen werden, entstehen am Ende deutlich überdimensionierte Energieversorgungsanlagen. Neben höheren Investitionskosten sind damit auch höhere Betriebskosten verbunden aufgrund höherer Aufwendungen für die Wartung und teilweise geringeren Wirkungsgraden im Teillastbetrieb.

Per Simulation exakt ausgelegt

Eine passgenaue Auslegung lässt sich hingegen mit Hilfe von dynamischen Simulationen erreichen: Damit kann das Anlagenverhalten während des Planungsprozesses detailliert abgebildet und hinsichtlich der erforderlichen Versorgungssicherheit und der Wirtschaftlichkeit bewertet werden.

Voraussetzung sind passende Simulationstools, die mit wenig Aufwand eine exakte Systemauslegung realisieren. Hierfür wird ein dynamisches (Computer-)Simulationsmodell als virtuelles Abbild der zu planenden Anlage erstellt.

Die Simulation bildet das Betriebsverhalten einschließlich aller Abhängigkeiten zwischen den Anlagenbestandteilen nach. Als Ergebnis werden Auslastungen, Speicherfüllstände, Wärmeverluste, die Abdeckung der geforderten Lasten und andere Parameter detailliert berechnet und ausgegeben.

Durch die gezielte Variation der Eingangsparameter wird das System hinsichtlich der zugrundeliegenden Hydrauliken, der zum Einsatz kommenden Technologien, der verwendeten Einzelkomponenten nach Art, Anzahl oder Größe oder der verwendeten Regel­algorithmen verändert. Anschließend werden die so berechneten Simulationsergebnisse zur Ermittlung der optimalen Lösung miteinander verglichen.

Als Ergebnis der Simulation stehen zunächst technische oder energetische Daten der simulierten Systeme zur Verfügung. Als Grundlage für die Investitionsentscheidung wird mit den so gewonnenen Daten eine Wirtschaftlichkeitsberechnung durchgeführt. Sie berücksichtigt auch gesetzliche Regelungen, beispielsweise nach dem KWKG oder dem EEG.

Durch eine automatisierte Verknüpfung der beiden Berechnungen entsteht ohne weitere Arbeitsschritte durch den Anwender ein Ergebnisbericht, der die technischen Simulationsergebnisse und die wirtschaftlichen Parameter zusammenfassend darstellt. Wirtschaftliche Kennzahlen für die unterschiedlichen Szenarien wie die Amortisationszeit oder der Return on Investment (ROI) werden in einem Ranking gegenübergestellt.

Parametrierbare Modelle

Während der vollständige Aufbau eines Simulationsmodells mit erheblichem Programmieraufwand verbunden ist, kann die Verwendung von parametrierbaren Modellen für häufig vorkommende Fragestellungen die benötigte Arbeitszeit deutlich senken. Hierfür wird ein mehrfach verwendbares Modell genutzt. Einzelne Bestandteile wie etwa ein zweites BHKW lassen sich durch einfache Klicks aus der Anlage entfernen. Auf diese Weise entsteht ein den Anforderungen entsprechendes Modell.

Die verbleibenden Komponenten werden projektbezogen hinsichtlich ihrer Leistungsgröße dimensioniert und durch die Eingabe weiterer Parameter wie einer Wirkungsgradkennlinie individualisiert.

Geräte-Datenbank

Durch die Nutzung einer Datenbank, in der die am Markt verfügbaren Geräte mit ihren technischen Eigenschaften sowie mit Investitions- und Betriebskosten hinterlegt sind, lässt sich dieser Prozess weiter vereinfachen. Nach dem Einlesen der Lastgänge werden die Simulationsläufe gestartet und im Anschluss der Ergebnisbericht ausgegeben.

Der Anwender erhält damit innerhalb kürzester Zeit einen Vergleich der verschiedenen Varianten hinsichtlich der Inves­titionskosten, der Amortisationszeit, des ROI oder CO2-Emissionen. Diese Übersicht ermöglicht eine fundierte Basis für die Entscheidung bei der Investition.

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