Das physikalische Optimum als Basis von Systematiken zur Steigerung der Energie- und Stoffeffizienz von Produktionsprozessen

Volta, Dirk

In dieser Arbeit wird das „Physikalische Optimum“ PhO als idealer Referenzprozess zur Bewertung technischer Prozesse definiert und auf naturwissenschaftliche Probleme, primär im Bereich der Thermodynamik, angewendet. Der Vorteil, den realen Prozess mit dem Physikalischen Optimum zu vergleichen, ist, dass der Referenzpunkt (das PhO) nicht unterschritten werden kann, solange die physikalischen Gesetze gelten. Somit ist ausgeschlossen, dass zu einem späteren Zeitpunkt, zu dem der Stand der Technik fortgeschritten ist, ein neuer Referenzpunkt bestimmt werden muss. Als Beispiel für diese Problematik seien die Effizienzklassen von Elektromotoren genannt, welche im Zuge des Technikfortschritts neu definiert werden mussten. Das Physikalische Optimum ist dagegen für einen bestimmten Prozess ultimativ. Eine wesentliche Anwendung des Physikalischen Optimums wird anhand der in dieser Arbeit entwickelten, erweiterten Verlustkaskade veranschaulicht. Das Physikalische Optimum ̶ als letzter Schritt der Verlustkaskade ̶ ist eine Erweiterung zu der gängigen, aus der Literatur bekannten Darstellung (Primärenergie → Endenergie → Nutzenergie). Der physikalisch optimale Verbrauch ist der Teil der Nutzenergie, welcher unter physikalisch optimalen Bedingungen erforderlich ist. Der übrig bleibende Anteil der Nutzenergie ist dementsprechend jener Anteil, welcher nach den Randbedingungen der Physik als Verlust zu betrachten ist. Die Bewertung des Herstellprozesses eines Schokoladenproduktes zeigt im Rahmen der Validierung die erweiterte Verlustkaskade und veranschaulicht alle auftretenden Verluste von der Primärenergie bis zum PhO. Eine Schwierigkeit ist hierbei, die Vergleichbarkeit aller unterschiedlichen Energieformen (Kälte, Druckluft, Wärme) herzustellen und daraus ein Gesamtbild zu erstellen. Das Bilden einer äquivalenten Einheit löst dieses Problem. Die in dieser Arbeit entwickelte Bewertungsgröße ist der PhO-Faktor, welcher das Verhältnis des realen Verbrauches zum physikalisch optimalen Verbrauch (Bedarf) darstellt. Der PhO-Faktor ist im physikalischen Optimalfall gleich eins. Im Rahmen der Validierung wird anhand einer Nahrungsmittelfabrik gezeigt, wie der Werkwasserverbrauch einer Produktionsfabrik innerhalb von 6 Jahren um etwa 60 % reduziert wird. Der PhO-Faktor verringert sich dadurch von 5,1 auf 2,0. Der PhO-Faktor der optimierten Fabrik von 2,0 zeigt das verbleibende maximale Potential für verbleibende Optimierungs-Schritte. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Bewertung des dynamischen Verhaltens produktionstechnischer Anlagen. Somit wird auch die Nutzungsphase eines Prozesses (instationärer Betrieb) bewertet. Es resultieren zwei wesentliche Ergebnisse: 1. Die Gesamtbetrachtung liefert eine übersichtliche Gesamtdarstellung des Physikalischen Optimums, der bereits optimierten Verbräuche sowie des verbleibenden Potentials für weitere Optimierungen. Das Ergebnis ist eine Darstellung vom Bereitschaftsbetrieb bis hin zur Nennleistung des Prozesses. 2. Zur Darstellung und Bewertung der Effizienzsteigerung von Prozessen können die Verbräuche als Funktionen (vor und nach der Effizienzmaßnahme) miteinander verglichen werden. Die funktionale Bewertung von Verbräuchen hat den Vorteil, dass die Auslastung der Produktion keinen Einfluss mehr auf das Ergebnis der abschließenden Vergleichsbewertung hat.

This doctoral thesis defines the Physical Optimum (PhO) as the reference process to evaluate technical processes and scientific problems, focusing thermodynamic specializations. Considering the laws of physics, the advantage of comparing a real process with a reference which bases on its physical energy requirements (PhO) is that it is impossible to fall below this theoretical value by future assessment criteria. As an actual case in point, standard motors with different continuously updated efficiency classifications are a practical example. In contrast to this the Physical Optimum is an ultimate reference-process which always maintained constantly for one specific process and hence there is no need of a redefinition for a reference-process. The main function of the Physical Optimum can be demonstrated as the last instance of energy cascades which identify the physical energy requirements, for instance of a production process. The actual model of energy cascades is restricted to energy conversion along the transformation chain from primary energy to usable energy. An extended energy cascade with the Physical Optimum as the last instance is a new approach and hence an important difference to the known representation-models in the literature. This consideration defines energy consumptions which are not necessary for the specific physical energy requirement of one process as energy losses. This approach is illustrated during a chocolate manufacturing process. Basic foundation and sine qua non for necessary comparability is the definition of an energy equivalent basis for all used energy forms (compressed air, thermal- and cooling-energy). The developed quantifying parameter is the PhO-factor which quantifies the ratio of the actual consumption and the physical energy demand of one process. Hence, the optimal physically process is evaluated with the PhO-factor value of one. As part of the validation the water reduction will be demonstrated. It was possible to reduce the water consumption of a food factory by 60% over the past six years. The consequence is a reduced PhO-factor from 5.1 to 2.0 which at once illustrates the maximum remaining potential for further process optimization. Another focus point of this doctoral thesis is the evaluation of the dynamic behavior of production processes, hence the transient operation of implementation phases. This approach indicates two essential evaluation results: 1. The overall analysis ensures a clear overview of the Physical Optimum, the optimized consumption as well as the remaining potential for optimization. The result provides a comfortable representation from baseload-operation mode of the process to its classified nominal capacity. 2. Resultant enhanced process-efficiencies can be presented and evaluated in form of consumption functions in direct before-and-after comparisons. The advantages of this type of processes evaluation is that the final results and research on benchmarking has no influence on its level of capacity utilization.

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Volta, Dirk: Das physikalische Optimum als Basis von Systematiken zur Steigerung der Energie- und Stoffeffizienz von Produktionsprozessen. 2014.

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