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Optimierung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen

Arbeitsgruppe:AG Optimierung und Optimale Steuerung
Leitung: Prof. Dr. Christof Büskens ((0421) 218-63861, E-Mail: bueskens@math.uni-bremen.de)
Bearbeiter: Peter Lasch
Projektförderung: Enable Energy Solutions GmbH
Projektpartner: Enable Energy Solutions GmbH, Bad Rothenfelde
Laufzeit: seit 01.06.2004
Bild des Projekts Optimierung von Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen Industrielle Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen (KWK-Anlagen) dienen der Betriebskostenreduzierung, da die Anlagen in der Regel mit wenig personellem Aufwand und hoher Verfügbarkeit flexibel betrieben werden können. Die Kraft-Wärme-Kopplung hat in Deutschland eine lange Tradition und wird seit vielen Jahren in den unterschiedlichsten Kraftwerkskonfigurationen angewendet. Der Begriff der Kraft-Wärme-Kopplung steht für alle Verfahren, bei denen eine Anlage aus den zugeführten Energien zeitgleich mehrere Zielenergien - d.h. mechanische Energie, elektrische Energie, Wärme oder Kälte - erzeugt, die dann, z.B. zur Heizung und Beleuchtung von Räumen, bereitgestellt werden.

KWK-Anlagen zeichnen sich besonders durch ihren hohen Wirkungsgrad aus. Während bei der Erzeugung von Strom in Kraftwerken nur 30-40% der im Brennstoff enthaltenen Energie in Strom umgesetzt wird, können KWK-Anlagen bis zu 90% der eingesetzten Primärenergie in Strom und Wärme umwandeln.
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Großwasserraumkessel einer KWK-Anlage (Foto: Enable Energy Solutions)
Das gesamte Umfeld industrieller KWK-Anlagen hat sich jedoch in den letzten Jahren grundlegend geändert und ist sehr komplex geworden. Restriktionen, wie z.B. das KWK-Gesetz, das KWKMod.-Gesetz, die Ökosteuer, hohe Erdgaspreise, Strommarktliberalisierung oder CO2 -Emissionshandel, sorgen dafür, dass diese Anlagen nur noch mit viel Vorwissen und entsprechend höherer Personalbindung betrieben werden können. Hierdurch bedingt sind viele KWK-Anlagen für die Unternehmen zur unkalkulierbaren Kostengröße geworden. Dabei weisen verschiedene Studien darauf hin, dass die größten KWK-Potentiale und damit verbunden die volkswirtschaftlich günstigsten CO2 -Reduktionspotentiale im industriellen Bereich zu finden sind.

In diesem Projekt soll online, unter Einbeziehung aller technischen Möglichkeiten und den vielfältigen wirtschaftlichen Umfeldbedingungen des Standortes, die KWK-Anlage bestmöglich betrieben werden. Hierzu wird das Verhalten verschiedener Kraftwerkstandardkomponenten thermodynamisch berechnet. Die theoretischen Ergebnisse werden, bevor sie in der Gesamtkraftwerksdynamik weiterverarbeitet werden, mit vergangenheitsbasierten Daten (z.B. entsprechender Außentemperaturen, Verschmutzungsgrad, GT-Kompressor etc.) abgeglichen. Da sich die Umfeldbedingungen ständig ändern, wird die optimale Fahrweise gewissermaßen prädiktiv für einen gegebenen Vorhersagehorizont bestimmt. Die berechneten Ergebnisse verschaffen dem Operator und dem Controller gleichermaßen Transparenz und machen den Einsatz industrieller KWK-Anlagen wieder kalkulierbar.

Mathematisch handelt es sich um ein nichtlineares Optimierungsproblem mit Gleichungs und Ungleichungsnebenbedingungen, da der Kraftwerksoutput für den Vorhersagehorizont als Funktion der Eingabedaten gegeben ist.
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Schematische Simulation einer Gasturbine
Es stehen Datensätze von drei Jahren, jeweils im Viertelstundentakt gemessen, zur Verfügung. Diese müssen in ein Modell integriert werden. Bisher wurde diese Anpassung nur mit Daten für einen Monat durchgeführt, so dass jahreszeitliche Schwanken nicht vom Modell erfasst werden.

In einer beantragten Fortführung und Erweiterung des Projektes werden besonders umweltbezogene Aspekte, wie die Reduktion von CO2, Abwärme, Ruß und Schlacke, die Schonung fossiler Brennstoffe und die Entlastung stärker umweltbelastender Großkraftwerke berücksichtigt. Des Weiteren ist eine Vorabbestimmung der Umweltbelastung möglich.

Im Rahmen dieses Projektes sollen die verschiedenen Kraftwerkskomponenten der KWK-Anlage einer Kaffeeveredelungsfirma aus Bremen durch mathematisch-numerische Simulationsmodule dargestellt und thermodynamisch berechnet werden. Die theoretischen Ergebnisse der Module werden, bevor sie in der Gesamtkraftwerkssimulation weiterverknüpft werden, mit Historiendaten aus einer Datenbank (z.B. Außentemperatur, Verschmutzungsgrad etc.) abgeglichen. Auch hier stellt sich das Problem, die vorhandenen Daten in ein mathematisches Modell zu integrieren.

Ein weiterer Vorteil der Methode besteht darin, dass die im Rahmen des Projektes erzielten Ergebnisse keinen Umbau einer bestehenden Anlage erforderlich machen. Die Methodikwird auf Alt- und Neuanlagen anwendbar sein.