Ansätze für eine Methodik zur Bewertung komplexer industrieller Prozesse vor dem Hintergrund gezielter energetischer Effizienzsteigerungen

Kerpen, Lukas

Allein durch die zunehmende Nutzung erneuerbarer Energien werden nationale und internationale Klimaziele und energiepolitische Ziele nicht umsetzbar sein. Für eine Realisierung der Energiewende ist auch das Definieren und Umsetzen von energieeffizienten Maßnahmen unumgänglich. Daher werden im Rahmen dieser Arbeit Ansätze entwickelt, die eine energetische Bewertung komplexer industrieller Prozesse ermöglichen. Durch das Anwenden des Physikalischen Optimums (PhO), das ein auf den physikalischen Gesetzen basierender Referenzwert ist, wird eine gezielte Optimierung der Prozesse hin zu besagtem Grenzwert möglich. Zur Weiterentwicklung der methodischen Anwendung des PhOs definiert die Arbeit zunächst energietechnische Begriffe für dessen Anwendung, um einen einheitlichen Sprachgebrauch und vor allem eine einheitliche Anwendung der Methode zu gewährleisten. Durch das Einführen der bilanziellen Methode wird erstmals ein systematisches Vorgehen zur Definition des PhOs geschaffen, das auf energetischen Bilanzen basiert. Dies ermöglicht eine einheitliche, nachvollziehbare, objektive und reproduzierbare Definition von physikalisch begründeten Grenzwerten. Die bilanzielle Methode baut auf der Unterscheidung zwischen vermeidbaren und unvermeidbaren Verlusten auf und wird im Rahmen der Arbeit wiederholt angewendet und verifiziert. Durch eine Unterscheidung zwischen vermeidbaren und unvermeidbaren Verlusten können indirekte PhO-Faktoren bestimmt werden. Sie ermöglichen eine gezielte Prozessoptimierung, da in ihnen die optimierbaren Prozessverluste definiert sind. Zur Bewertung komplexer Prozesse ist zuerst der nötige Detailgrad festzulegen. Die Arbeit schlägt ein Vorgehen vor, das für eine Effizienzbewertung relevante Subprozesse identifiziert. Die einzelnen Subprozesse können mit Hilfe der bilanziellen Methode gekoppelt werden, um einen Gesamt-PhO-Faktor des Prozesses zu ermitteln. Dieser kann sowohl auf Planungs- als auch auf Bestandsprozesse angewendet werden. Zur Bewertung unterschiedlicher Prozessphasen wird ein systematisches Vorgehen zur Definition entsprechender Kennzahlen vorgeschlagen. Eine Anwendung der bilanziellen Methode bei unzureichender Messtechnik kann anhand eines Bottom-Up-Vorgehens ermöglicht werden. Da durch das Eingliedern erneuerbarer Energiequellen eine zeitliche und räumliche Diskrepanz zwischen Energiebereitstellung und Energienutzung entstehen kann, gewinnt der Einsatz energetischer Speicher zunehmend an Bedeutung. Auf Basis der bilanziellen Methode wird ein Vorgehen entwickelt, mit dem verschiedene Speichertechnologien hinsichtlich ihrer Effizienz bewertet werden können. Das Vorgehen wird anhand eines Druckluftspeichers, eines Kondensators und eines thermischen Speichers validiert. Da anhand der Exergie die Qualität einer Energie bewertet werden kann und sie die maximale Arbeitsfähigkeit beschreibt, ist eine Abgrenzung vom PhO zur Exergie erforderlich. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher anhand verschiedener technischer Prozesse eine Einordnung bzw. Abgrenzung vom PhO zur energetischen und exergetischen Prozessbewertung durchgeführt. Stichpunkte: Prozess, Bewertung, Effizienz, Energie, Exergie, Grenzwert, Physikalisches Optimum, Optimierung

Solely by increasing the use of renewable energies, national and international climate and energy political targets cannot be achieved. Defining and implementing energy-efficient measures is essential to realize the energy transition. Within the scope of this work, approaches are developed to evaluate the energy efficiency of complex industrial processes. By applying the Physical Optimum (PhO), which is a reference value based on the laws of physics, a targeted optimization of processes towards said limit value becomes possible. To further develop the methodological application of the PhO, the thesis initially defines energy-related terms for the application of the PhO. Thus a uniform use of language and, above all, a uniform application of the method is ensured. The balancing method is introduced for the first time. It is a systematic approach which defines the PhO based on energy balances and therefore enables a uniform, comprehensible, objective and reproducible definition of limiting values. The balancing method builds on the distinction between avoidable and unavoidable losses and is constantly applied and verified within the scope of this work. By distinguishing between avoidable and unavoidable losses, indirect PhO-factors can be determined. They allow a targeted process optimization since the process losses that can be optimized are defined by them. To evaluate complex processes, the necessary level of detail must be determined at first. This work proposes an approach that identifies sub-processes relevant for an efficiency evaluation. The individual subprocesses can be combined using the balancing method to determine an overall PhO-factor for the process. This can be applied to both planned and existing processes. In order to evaluate different process phases, a systematic method is proposed for defining appropriate performance indicators. An application of the balancing method in case of insufficient measurement technologies can be realized by means of a bottom-up approach. Since the integration of renewable energy sources can lead to a temporal and geographical discrepancy between energy supply and energy use, the use of energy storage systems is becoming increasingly important. Based on the balancing method, a method is developed to evaluate different storage technologies regarding their efficiency. The procedure is validated based on a compressed-air energy storage unit, a capacitor and a thermal energy storage unit. Since exergy can be used to evaluate the quality of energy and describes the maximum working capability, it is necessary to distinguish between PhO and exergy. In the context of this work, a classification respectively a differentiation from PhO to energetic and exergetic process evaluation is carried out based on different technical processes. Keywords: process, evaluation, efficiency, energy, exergy, limit value, Physical Optimum, optimization

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Kerpen, Lukas: Ansätze für eine Methodik zur Bewertung komplexer industrieller Prozesse vor dem Hintergrund gezielter energetischer Effizienzsteigerungen. Clausthal-Zellerfeld 2022.

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