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Das Exergiekonzept als Analysemethode am Beispiel Deutschlands 13. Symposion Energieinnovation 13. Feb. 2014, TU Graz Marco Lindner, Udo Bachhiesl Institut für Elektrizitätswirtschaft und Energieinnovation Technische Universität Graz

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Das Exergiekonzept als Analysemethode am Beispiel Deutschlands

Inhalt

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•  Motivation •  Exergie •  Methodik •  Ergebnisse •  Interpretation

TU Graz I Institut für Elektrizitätswirtschaft und Energieinnovation | Marco Lindner, Udo Bachhiesl Graz, am 13.02.2014

Das Exergiekonzept als Analysemethode am Beispiel Deutschlands

Motivation

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Energie Solarthermie

1000 kWh

Fernwärme

1000 kWh

Elektrizität

1000 kWh

Erdöl

1000 kWh

Kohle

1000 kWh

TRW=20°C

Optimum?

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Energie 1000 kWh

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Exergie – Definition „Die Exergie ist Energie, die sich unter Mitwirkung einer vorgegebenen Umgebung in jede andere Energieform vollständig umwandeln lässt. Anergie ist Energie, die sich nicht in Exergie umwandeln lässt.” (Baehr, Thermodynamik – Grundlagen und tech. Anwendungen)

Energie = Exergie + Anergie

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Exergie – Beispiel: Energieträger

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100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

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Energie Exergie

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Motivation

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Energie

Exergie

Solarthermie

1000 kWh

239 kWh

Fernwärme

1000 kWh

229 kWh

Elektrizität

1000 kWh

1000 kWh

Erdöl

1000 kWh

1069 kWh

Kohle

1000 kWh

1070 kWh

TRW=20°C

Optimum?

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Energie 1000 kWh Exergie 45 kWh TU=6°C

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Exergie – Bedeutung •  Quantität (Energie) ist nicht gleich Qualität (Exergie) –  Exergie ist die gewinnbare Arbeit gegenüber der Umgebung –  Anergie ist mit der Umgebung im Gleichgewicht und kann keine Arbeit verrichten –  Exergie ist keine Erhaltungsgröße

•  Jede Energieumwandlung geht mit Exergieverlusten – Abwertung der Energie – einher. –  Das Resultat ist meistens Mittel-/Niedertemperaturwärme am falschen Ort

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Exergiebilanz – Beispiel: Raumwärmeversorgung

ζErdgas Boiler = 4,3%

ζWärmepumpe = 18,1%

ζFernwärme = 19,7%

TU = 6,7°C, TRW= 20°C TU Graz I Institut für Elektrizitätswirtschaft und Energieinnovation | Marco Lindner, Udo Bachhiesl Graz, am 13.02.2014

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Methodik – 1/4

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1.  Zusammenführen und Erweitern der bestehenden Energiebilanzen –  Konsistenzprüfung –  Erweiterung durch Nutzenergiemodell –  Anpassung an internationale Standards

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Methodik – 2/4 2.  Bestimmen der exergetischen Faktoren

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–  Thermomechanische und chemische Exergie der eingesetzten Energieträger –  Thermochemische Daten der Prozessabströme –  Referenzdaten zur Umgebungsmodellbildung

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Methodik – 3/4 3.  Erstellen des Exergieflussbildes

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–  Anwendung der exergetischen Faktoren –  Berechnung der ExergieZerstörungen und ExergieEffizienzen

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Methodik – 4/4

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4.  Analyse der Ergebnisse

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–  Prozessanalysen –  Evaluieren von Verbesserungsmöglichkeiten

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Ergebnis – Energieflussbild

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Primärenergieaufkommen 13614 PJ

Nutzenergie 5258 PJ

Umwandlungsverluste 3067 PJ

ηGesamt = 38%

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Anwendungsverluste 3632 PJ

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Ergebnis – Exergieflussbild

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Primärexergieaufkommen 14371 PJ

ζGesamt = 18%

Nutzexergie 2682 PJ

Umwandlungsverluste 299 PJ Exergie-Zerstörung bei der Umwandlung 3433 PJ

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Anwendungsverluste 1584 PJ Zerstörung bei der Anwendung 4678 PJ

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Ergebnis – Detail: Umwandlungen Energie

Exergie

ηUmwandlung = 47%

ζUmwandlung = 38%

Ex-Verluste: 4,2% Ex-Zerstörung: 57,2% TU Graz I Institut für Elektrizitätswirtschaft und Energieinnovation | Marco Lindner, Udo Bachhiesl Graz, am 13.02.2014

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8894 PJ

Ergebnis – Detail: Nutzanwendungen Energie

Exergie

ηAnwendung = 59%

ζAnwendung = 30% 8938 PJ

Ex-Verluste: 18,7% Deutschland 2011, PJ52,3% Ex-Zerstörung: TU Graz I Institut für Elektrizitätswirtschaft und Energieinnovation | Marco Lindner, Udo Bachhiesl Graz, am 13.02.2014

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Interpretation •  Die Exergie-Analyse verfeinert die konventionelle Energie-Analyse –  Aufzeigen von falschem Energieträgereinsatz sowie Potentialen zur Kaskadierung –  Ergebnisse exergetischer Optimierungen sind zugleich energetisch optimiert

•  Die Exergie-Analyse bietet einen direkten Vergleich verschiedenster Technologien –  Kumulative Exergie-Analyse für verkettete Prozesse

•  Berücksichtigung der tatsächlich benötigten Qualität der Nutzenergie –  Optimale Energieträger und Umwandlungsverfahren

•  Exergoökonomische Analysen •  Exergie als Indikator für Umweltbeeinträchtigungen TU Graz I Institut für Elektrizitätswirtschaft und Energieinnovation | Marco Lindner, Udo Bachhiesl Graz, am 13.02.2014

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Rückblick – Österr. Energiebericht 1956

Energieflußbild

Technische Arbeitsfähigkeit

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Wertflußbild

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Ausblick – Ideales Exergieflußbild

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•  Annahmen –  –  –  –  – 

Strom aus erneuerbaren Energien Kraftwerksprozesse (GuD, KWK, keine Heizwerke) Elektromobilität Wärmedämmung, Wärmepumpen Beleuchtung

•  Ergebnisse –  Steigerung der Exergieeffizienz Deutschlands von 18% auf 32% –  Reduktion des Primärenergieeinsatzes um 37,8% –  Reduktion des Einsatzes fossiler Brennstoffe um 39,4%

•  Ausblick –  Bedeutung elektrischer Energie wird steigen –  Herausforderung Umsetzung

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