completed Doctorates & Habilitations
Filter: Field Engineering Sciences, Faculty of Mechanical Science and Engineering, Theses, Dissertation & Habilitation
Vergleichende energetische Bewertung der Transformationsketten der elektromechanischen Kompressions- und thermischen Absorptionskälteerzeugung
Art der Abschlussarbeit
Dissertation
Autoren
- Sager, Jörg
Betreuer
- Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann
Abstract
Eine besondere Rolle spielen im Zusammenhang mit der Fernwärmeversorgung thermisch angetriebene Absorptionskältemaschinen (AKM), denen insbesondere im Zusammenwirken mit der Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) eine besonders ökologische Bedeutung zuerkannt wird. So sind mit erheblichen staatlichen Fördergeldern Entwicklungen in Instituten (ZAE Bayern, ILK Dresden, FFI Hannover) und Anwendungen in Fernwärmeversorgungsunternehmen unterstützt worden. Die genannte Kombination von KWK und AKM ist jedoch nicht mit der vorteilhaften KWK für Heizungsanlagen vergleichbar, eine These, die der Gutachter in die Debatten des Forschungsbeirates der Arbeitsgemeinschaft Fernwärmeversorgung (AGFW) eingebracht hatte, jedoch dafür wenig Verständnis fand. Durch eine thermodynamisch-energiewirtschaftliche Fehleinschätzung wird die Absorptionskälte zur Zeit durch die Sonderstromvergütung nach dem KWK-Gesetz gefördert, weil die für die AKM erforderliche Fernwärme auch zusätzliche KWK-Stromerzeugung bewirkt, während die elektromechanische Kälteerzeugung durch die Stromsteuer belastet wird. Hier findet ein unzulässiger ordnungspolitischer Eingriff in den Wettbewerb von Technologien statt. Zumindest von der wissenschaftlichen Seite sollte die Berechtigung der Präferenz für AKM belegt oder widerlegt werden.
Herr Sager hat ausgehend von Betrachtungen reversibler Prozesse richtig erkannt, dass die thermische und die elektromechanische Kälteerzeugung gleichwertig sind, wenn die Antriebswärme für die AKM das Koppelprodukt der Stromerzeugung ist. Die Gleichwertigkeit beruht darauf, dass bei Kälteerzeugung, d. h. Schaffung eines Zustandes abweichend vom Umgebungszustand, Exergie aufgewendet werden muss. Die in der Heizwärme von beispielsweise 100 °C enthaltene Anergie wird ähnlich wie Blindstrom in elektrischen Netzen nur vom Heizkraftwerk (HKW) zur AKM transportiert, ohne einen Beitrag zur Kälteerzeugung leisten zu können, um dann über das Kühlsystem der AKM entsorgt zu werden. Aus diesem Grund sind die über Kühler abzuführenden Abwärmemengen bei AKM ca. doppelt so groß wie bei Kompressions-Kältemaschinen. Der Fall der Verwendung von „Frischwärme“ aus Heizkesseln ist von vornherein wesentlich schlechter und wurde hier nicht berücksichtigt. Streng betrachtet haben AKM dort eine Berechtigung, wo Abwärme in ausreichend hoher Temperatur ohnehin vorhanden und der zur AKM alternative elektrische Nachschaltprozess nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist und deshalb die Verstromung der Exergie der Abwärme nicht vorgesehen und nicht realisiert ist, beispielsweise bei Gegendruckdampfturbinen, BHKW, Gasturbinen oder Brennstoffzellen.
Breiten Raum in der Arbeit nimmt die Modellierung und Bewertung der Prozessankopplung an die Umgebung ein, d. h. der Kühlsysteme, die sowohl bei Kraftwerksprozessen als auch Kälteprozessen erforderlich sind.
Das Ergebnis der Untersuchungen ist die Aussage, dass bei der Gegenüberstellung der beiden Kälteerzeugungstechnologien gravierende Unterschiede nicht vorhanden sind. Je nach Maschinentyp bei KKM und AKM ergeben sich kleine Unterschiede, wobei die Kompressionskältemaschinen bei Einsatz von gut regelbaren Schraubenverdichtern bezüglich des spezifischen Elektroenergiebedarfs am günstigsten abschneiden. Von größerem Einfluss ist die Art des Rückkühlwerkes, wobei erwartungsgemäß regelbare Nasskühler die besten Ergebnisse, d. h. die niedrigsten spezifischen Elektroenergieaufwände der Umwandlungskette, aufweisen.
Herr Sager hat ausgehend von Betrachtungen reversibler Prozesse richtig erkannt, dass die thermische und die elektromechanische Kälteerzeugung gleichwertig sind, wenn die Antriebswärme für die AKM das Koppelprodukt der Stromerzeugung ist. Die Gleichwertigkeit beruht darauf, dass bei Kälteerzeugung, d. h. Schaffung eines Zustandes abweichend vom Umgebungszustand, Exergie aufgewendet werden muss. Die in der Heizwärme von beispielsweise 100 °C enthaltene Anergie wird ähnlich wie Blindstrom in elektrischen Netzen nur vom Heizkraftwerk (HKW) zur AKM transportiert, ohne einen Beitrag zur Kälteerzeugung leisten zu können, um dann über das Kühlsystem der AKM entsorgt zu werden. Aus diesem Grund sind die über Kühler abzuführenden Abwärmemengen bei AKM ca. doppelt so groß wie bei Kompressions-Kältemaschinen. Der Fall der Verwendung von „Frischwärme“ aus Heizkesseln ist von vornherein wesentlich schlechter und wurde hier nicht berücksichtigt. Streng betrachtet haben AKM dort eine Berechtigung, wo Abwärme in ausreichend hoher Temperatur ohnehin vorhanden und der zur AKM alternative elektrische Nachschaltprozess nicht möglich oder nicht wirtschaftlich ist und deshalb die Verstromung der Exergie der Abwärme nicht vorgesehen und nicht realisiert ist, beispielsweise bei Gegendruckdampfturbinen, BHKW, Gasturbinen oder Brennstoffzellen.
Breiten Raum in der Arbeit nimmt die Modellierung und Bewertung der Prozessankopplung an die Umgebung ein, d. h. der Kühlsysteme, die sowohl bei Kraftwerksprozessen als auch Kälteprozessen erforderlich sind.
Das Ergebnis der Untersuchungen ist die Aussage, dass bei der Gegenüberstellung der beiden Kälteerzeugungstechnologien gravierende Unterschiede nicht vorhanden sind. Je nach Maschinentyp bei KKM und AKM ergeben sich kleine Unterschiede, wobei die Kompressionskältemaschinen bei Einsatz von gut regelbaren Schraubenverdichtern bezüglich des spezifischen Elektroenergiebedarfs am günstigsten abschneiden. Von größerem Einfluss ist die Art des Rückkühlwerkes, wobei erwartungsgemäß regelbare Nasskühler die besten Ergebnisse, d. h. die niedrigsten spezifischen Elektroenergieaufwände der Umwandlungskette, aufweisen.
Zugeordnete Forschungsschwerpunkte
- Zentrale und dezentrale Kraft-Wärme-Kopplung sowie (Kraft-) Wärme-Kälte-Kopplung
Berichtsjahr
2004
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