In dieser Arbeit wurden die Nutzungsmöglichkeiten der am Turbolader Test Center (TTC) der Kompressorenbau Bannewitz GmbH (KBB) anfallenden Abwärme untersucht. Es sollte herausgefunden werden, ob es möglich ist, diese Abwärme wirtschaftlich zu nutzen. Nach der Bestandsaufnahme über die verschiedenartigen betriebsinternen Wärmequellen und -senken wurden Technologien und einzelne Komponenten der industriellen Abwärmenutzung recherchiert, dargestellt und hinsichtlich ihrer Eignung für die Anwendung bei KBB eingeschätzt.
Für die herausgearbeiteten Nutzungsmöglichkeiten wurden Konzeptbausteine erstellt und aus deren Kombinationen Konzepte entworfen. Um diese bzgl. ihres Brennstoff-Einsparpotentials und ihrer Wirtschaftlichkeit bewerten zu können, musste zusätzlich eine grobe Dimensionierung der entscheidenden Komponenten vorgenommen werden. Da die Leistung der bedeutendsten Wärmequelle (Abgas des Versuchsbetriebes mit 0,15 ... 3,5 MW) nur stundenweise verfügbar ist und auch während der Betriebszeit starke Schwankungen bzgl. Temperatur und Massestrom auftreten, war außerdem eine grobe Optimierung der Komponenten erforderlich. Entsprechende Vorgehensweisen zur Dimensionierung von Speicherkapazität und Wärmeübertragerflächen wurden entwickelt.
Ein Konzept zur Heizungsunterstützung und ein darauf aufbauendes Konzept mit zusätzlicher Kühlfunktion wurden aus energetischer Sicht als sinnvoll bewertet, Erdgaseinsparungen in der Größenordnung von 500 MWh pro Jahr sind erreichbar. Amortisationsdauern und Kapitalwerte wurden für verschiedene Bedingungen berechnet. Die Wirtschaftlichkeit der Konzepte hängt wesentlich von weiteren Optimierungen, dem Gaspreis und der Möglichkeit einer Förderung ab. Grundsätzlich wird die Weiterverfolgung der Abwärmenutzung bei KBB als sinnvoll erachtet.
ENGLISH:
This paper explores the possibilities for re-using waste heat that is produced by a turbo-charger testing center (TTC) in possession of the company Kompressorenbau Bannewitz GmbH (KBB). The objective was to find out whether such endeavor can be feasible. After characterizing the various kinds of heat sources and sinks at the site, technologies and components for industrial heat recovery were researched, presented and evaluated in terms of
their usability for the application at KBB. Concepts have been created and feasibility studies undertaken. Highly fluctuating values in temperature and mass-flow meant a particular challenge for a rough dimensioning of the proposed plants.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Persönliche Motivation und Kontext der Arbeit
2 Bestandsaufnahme
2.1 Beschreibung der Anlagen und Charakterisierung der Enthalpieströme
2.1.1 Versuchsstände
2.1.2 Rückkühlsystem (RKS)
2.1.3 Heizungssystem
2.1.4 Luftkonditioniermodul (LKM)
2.1.5 Vorgesehene Erweiterungen der Anlagen
2.2 Externe Wärmenutzung
2.2.1 Einspeisung in ein Nah- oder Fernwärmenetz
2.2.2 Mobile Wärmenutzung
2.2.3 Zusammenfassung zur externen Wärmenutzung
2.3 Passfähigkeit von Wärmequellen und -senken zueinander
2.3.1 Vergleich von Wärmemengen und Temperaturniveaus
2.3.2 Zeitliche Übereinstimmung von Wärmeangebot und -nachfrage
2.4 Bebaubare Flächen
3 Stand der Technik - Technologien der Abwärmenutzung
3.1 Verbrennungsluftvorwärmung
3.2 Wärmeversorgung betriebseigener Gebäude
3.2.1 Wärmeträgermedien
3.2.2 Wärmeübertrager (WÜ)
3.2.3 Wärmepumpen
3.2.4 Wärmespeicher
3.3 Kälteversorgung
3.3.1 Absorptionskältemaschinen (AKM)
3.3.2 Adsorptionskältemaschinen
3.3.3 Weitere Komponenten für Konzepte der Kälteversorgung
3.4 Bereitstellung von Elektroenergie
3.4.1 Der Dampfturbinen-Prozess
3.4.2 Der Organic Rankine Cycle (ORC)-Prozess
3.5 Weitere Erfahrungen durch Best Practices
4 Konzeptionierung
4.1 Konzeptbausteine (KB)
4.2 Ausgewählte Konzepte
4.2.1 Basiskonzept (KB1)
4.2.2 Heiz-Kühl-Konzept (KB1 + KB2)
4.2.3 Erweitertes Heizkonzept (KB1 + KB3)
4.2.4 Maximalkonzept (KB1 + KB2 + KB3)
4.2.5 Basiskonzept PlusA und PlusK
5 Energiewirtschaftliche Bewertung
5.1 Grobdimensionierung und energetische Bewertung
5.1.1 Basiskonzept
5.1.2 Heiz-Kühl-Konzept
5.1.3 Erweitertes Heizkonzept und Maximalkonzept
5.1.4 Basiskonzept Plus
5.2 Wirtschaftliche Bewertung
5.2.1 Methodik der Bewertung
5.2.2 Energiepreise und Kalkulationszinssatz
5.2.3 Bewertung Basiskonzept
5.2.4 Bewertung Heiz-Kühl-Konzept
5.2.5 Förderung
6 Zusammenfassung und Ausblick
6.1 Diskussion der Methoden und Ergebnisse
6.2 Weitere Empfehlungen für die Fortsetzung des Projektes
6.3 Hinweise für zusätzliche Energieeinsparungen und Anschlussarbeiten
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeiten zur wirtschaftlichen Abwärmenutzung am Turbolader Test Center (TTC) der Firma Kompressorenbau Bannewitz GmbH (KBB). Ziel ist es, ein technisch sowie energetisch sinnvolles Konzept zu erarbeiten, welches den Energiebedarf für Heizung und Kühlung durch die Nutzung der anfallenden Abwärme aus Testprozessen und Kühlsystemen deckt, um den Energiebezug nachhaltig zu senken.
- Identifikation und Charakterisierung betriebsinterner Wärmequellen und -senken
- Technische Analyse und Dimensionierung von Komponenten zur Wärmeübertragung und -speicherung
- Entwicklung verschiedener Konzepte zur Prozessintegration (Heizung, Kühlung, Elektroenergie)
- Wirtschaftlichkeitsanalyse unter Berücksichtigung von Investitionskosten, Förderungen und Amortisationszeiten
Auszug aus dem Buch
2.1.1 Versuchsstände
Die Abgase der Versuchsstände stellen die energetisch bedeutendste Wärmequelle dar. Der grundlegende Aufbau ist in Abbildung 2.1 vereinfacht dargestellt; um den Stoffstrom akurat verfolgen zu können, betrachte man Abbildung 2.2.
Getestet werden ATL aus der Produktion der KBB, im Leistungsbereich zwischen 250 kW und 5 MW. Diese werden auf die Versuchsstände montiert, und während der Versuchsdauer (1h bei Serienprüfläufen, 5h bei Entwicklungsprüfläufen) verschiedene Drehzahlen angefahren, beginnend bei geringer Leistung und endend bei Maximaldrehzahl, die 10 Minuten lang beibehalten wird.
Der ATL besteht aus einem Verdichter- und einem Turbinenrad in einem Gehäuse, die durch eine Welle miteinander verbunden sind. Am Versuchsstand saugt das Verdichterrad Außenluft an, verdichtet und erwärmt sie dabei, und führt sie dann der Brennkammer als Verbrennungsluft zu. Durch die Brennkammer wird ein heißer und druckbeladener Abgasstrom erzeugt, der über dem Turbinenrad entspannt wird, und das System über die Abgasleitung zum Schornstein hin verlässt. Über die Welle wird die Rotation der Turbine auf den Verdichter übertragen.
Es handelt sich um fünf Versuchsstände, welche von drei Brennkammern befeuert werden. Darunter befinden sich zwei Zwillings-Versuchsstände, die jeweils an Brenner der Maximalleistung 2 MW bzw. 3 MW angeschlossen sind, und ein weiterer Versuchsstand, der von einem Brenner mit einer Leistung von bis zu 5 MW versorgt wird. Die Abgase aller Brenner und Versuchsstände werden vor dem Schornstein in einer Beruhigungskammer zusammengeführt, die auch Platz für eventuelle Wärmeübertrager bietet (Abbildung 6.4 in Anhang A - Grundrisse).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in das Unternehmen KBB und das TTC ein, erläutert die Problematik ungenutzter Abwärme und formuliert das Ziel, effiziente Konzepte zur energetischen Bewertung und Nutzung dieser Wärmepotenziale zu entwickeln.
2 Bestandsaufnahme: Dieses Kapitel liefert eine detaillierte Analyse der bestehenden Anlagen, insbesondere der Abgase und Kühlmittelströme, sowie eine erste Prüfung externer Wärmenutzungsmöglichkeiten und der Bebaubarkeit vor Ort.
3 Stand der Technik - Technologien der Abwärmenutzung: Hier werden verfügbare Technologien zur Abwärmenutzung wie Verbrennungsluftvorwärmung, Wärmeversorgung, Kälteerzeugung und Elektroenergieerzeugung vorgestellt und auf ihre Eignung für den Einsatz bei KBB bewertet.
4 Konzeptionierung: Auf Basis der vorangegangenen Untersuchungen werden verschiedene Konzeptbausteine entwickelt und zu schlüssigen Gesamtsystemen für die Wärme- und Kälteversorgung kombiniert.
5 Energiewirtschaftliche Bewertung: In diesem Kapitel erfolgt eine detaillierte technische Dimensionierung der gewählten Konzepte sowie deren wirtschaftliche Analyse, um Aussagen über Amortisation und Rentabilität der Investitionen treffen zu können.
6 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen, bewertet die untersuchten Konzepte kritisch und gibt Empfehlungen für eine mögliche Projektrealisierung sowie für zukünftige Arbeiten.
Schlüsselwörter
Abwärmenutzung, Kompressorenbau, Abgasturbolader, Wärmequellen, Wärmesenken, Prozessintegration, energetische Bewertung, Wirtschaftlichkeit, Wärmespeicher, Wärmeübertrager, Kälteversorgung, Amortisation, Energieeinsparung, Thermöl, Abgas-Sammler.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Konzeptionierung einer wirtschaftlich sinnvollen Abwärmenutzung in einem Testzentrum für Turbolader, um ungenutzte Energiepotenziale für betriebsinterne Zwecke zu erschließen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Schwerpunkte liegen auf der Analyse der thermischen Lasten des Turbolader Test Centers, der Auswahl geeigneter Anlagentechnologien zur Wärmerückgewinnung sowie der energetischen und ökonomischen Bewertung daraus resultierender Konzepte.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist es, technisch umsetzbare Konzepte zur Nutzung der Prozessabwärme zu erstellen und diese hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit zu prüfen, um eine fundierte Entscheidungsgrundlage für Investitionen zu liefern.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Es wurde eine Kombination aus Bestandsaufnahme der Prozessdaten, Literaturrecherche zu Anlagentechnologien, systematischer Konzeptionierung, energetischer Simulation und einer dynamischen wirtschaftlichen Bewertung nach dem Kapitalwertverfahren angewandt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Im Hauptteil werden die Wärmequellen und -senken charakterisiert, der Stand der Technik für Abwärmetechnologien recherchiert, spezifische Konzeptbausteine entwickelt und diese in einer groben Dimensionierung energetisch und wirtschaftlich bewertet.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind u.a. Abwärmenutzung, Prozessintegration, energetische Bewertung, Wirtschaftlichkeit, Wärmespeicher und Abgas-Sammler.
Warum ist die Abwärmenutzung am TTC technisch anspruchsvoll?
Die Nutzung ist aufgrund stark schwankender Wärmemengen und -leistungen sowie einer diskontinuierlichen Betriebsweise der Versuchsstände komplex, was eine Zwischenspeicherung der Wärme erforderlich macht.
Zu welchem Ergebnis kommt der Autor bezüglich des Basiskonzepts?
Der Autor bewertet das Basiskonzept (Heizungsunterstützung durch Abgaswärme) als sinnvoll, betont jedoch, dass die Wirtschaftlichkeit stark vom Gaspreis, der gewählten Speichergröße und möglichen Förderungen abhängt.
- Arbeit zitieren
- Martin Schorcht (Autor:in), 2016, Konzept und Wirtschaftlichkeit der Abwärmenutzung in einem Testzentrum, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/352898
