Exergetische Untersuchung einer Carbon Black Anlage

Exergetische Untersuchung einer Carbon

Black Anlage

Einsatz exergiebasierter Methoden zur Identifizierung

wettbewerbsvorteilhafter Effizienzmaßnahmen

vorgelegt von

Dipl. Ing.

Pieter Mergenthaler

von der Fakultät III - Prozesswissenschaften

der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurwissenschaften

-Dr.-Ing.-

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss

Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. F. Ziegler

Gutachter: Prof. Dr.-Ing. G. Tsatsaronis

Gutachter: Priv.-Doz. Dr. A. Schinkel

Gutachter: Prof Dr. G. Erdmann

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 14. September 2018

Berlin 2019

Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am

Fachgebiet für Energietechnik und Umweltschutz des Instituts für Energietechnik der Technischen

Universität Berlin.

Mein besonderer Dank gilt Herrn Prof. George Tsatsaronis. Sie haben mir die Möglichkeit zur Bear-

beitung des Themas gegeben. Für das entgegen gebrachte Vertrauen und den gewährten Freiraum

zur Gestaltung meiner Arbeit bin ich Ihnen sehr dankbar. Ihre wertvollen Anregungen und Hinweise

haben mich bei der Bearbeitung darin unterstützt, meine eigenen Erfahrungen und Ideen in die

Arbeit einzubringen.

Für die Übernahme der Korreferate danke ich den Herren Prof. Georg Erdmann sowie Priv.-Doz. Dr.

Arndt-Peter Schinkel. Herrn Schinkel danke ich zudem für die spannende Zeit während der Bearbei-

tung des Projekts EBilCa-CB. Durch Ihr Vertrauen in das Potential exergiebasierter Methoden haben

Sie mir den Zugang zu Personen und Informationen ermöglicht, die mich ebenfalls entscheidend bei

meiner Arbeit inspiriert haben.

Ich danke Herrn Dr. Georg Kofler für die persönlichen Ratschläge und wertvollen Hinweise, die Sie

mir während meiner Zeit bei Kofler Energies mitgegeben haben. So fiel es mir leichter, meine Ziele in

schwierigen Phasen nicht aus den Augen zu verlieren.

Herrn Dipl.-Phys. Knut Grabowski möchte ich für die Inspiration danken, nach unkonventionellen

Wegen und Maßnahmen zur Verbesserung von bestehenden Anlagen zu suchen.

Herzlichst möchte ich mich ebenfalls bei meiner Familie und bei meinen Freunden bedanken,

die mich während der Promotionszeit begleitet und nach Kräften unterstützt haben. Dank des

regelmäßigen Austauschs mit meinen Nachbarn und insbesondere mit meinem Cousin Tim, konnte

ich die Zeit sehr genießen.

Vielen Dank auch an die Stipendiaten, Studenten und Kollegen am Fachgebiet und in El Gouna für

die konstruktive Zusammenarbeit und die gemeinsame Zeit. Danke an Suzanne Linehan Winter für

die Prüfung der Rechtschreibung und Grammatik meiner Arbeit.

iii

Zusammenfassung

In der vorliegenden Arbeit werden exergiebasierte Methoden angewandt, um eine real

existierende Anlage zur Herstellung von Carbon Black auf Grundlage verschiedener Bewer-

tungskriterien zu untersuchen. Dabei werden Material- und Energieströme exergetisch,

exergoökonomisch und exergoökologisch bewertet. Für die Anwendung der exergoöko-

nomischen Analyse wird die konventionelle Kostenanalyse erweitert, sodass neben einer

Kostenminimierung ebenfalls die Maximierung von Erlösen oder Deckungsbeiträgen als Ziel

dieser Methode definiert werden kann. So lässt sie sich auf real existierende Kuppelprozesse

zur Ableitung betriebswirtschaftlich motivierter Maßnahmen zur Steigerung der Ressour-

ceneffizienz anwenden.

Die größten Potentiale zur Effizienzverbesserung des Bestandssystems lassen sich je nach

Bewertungskriterium in unterschiedlichen Anlagenbereichen identifizieren. Ein hoher Anteil

der insgesamt aufgewandten Exergie wird in den Reaktoren vernichtet. Dies ist ein Grund,

warum der Fokus bei der Suche nach Verbesserungspotentialen auf diese Komponenten-

gruppe gelegt wird.

Aus der exergoökonomischen Kostenanalyse geht hervor, dass die Kostengestehung durch

Quenchprozesse innerhalb der Reaktoren verhältnismäßig stark durch Ineffizienzen und

nicht durch Fixkosten hervorgerufen wird. Daher wird ein alternatives Prozessdesign unter-

sucht, bei dem die Abkühlung des Produktstroms in den Reaktoren mit Hilfe von Dampf-

erzeugern erfolgt. Dadurch wird der Kostenstrom durch Exergievernichtung reduziert und

die Kosteneffizienz, mit der das Gesamtexergieprodukt hergestellt werden kann, nimmt zu.

Allerdings steigt dadurch der Gesamtdeckungsbeitragsstrom unterproportional gegenüber

dem Gesamtkostenstrom an, sodass sich diese Maßnahme negativ auf die Wirtschaftlichkeit

der Produktion auswirkt.

Aus der exergoökonomischen Erlösanalyse der Bestandsanlage geht hervor, dass in den

Reaktionszonen der Reaktoren besonders hohe Erlös- und Deckungsbeitragsströme durch

Irreversibilitäten vernichtet werden. Das liegt vor allem daran, dass in diesen Komponenten

v

die Erzeugung des Hauptprodukts stattfindet, welches im Vergleich zu den Nebenprodukten

einen hohen Marktwert aufweist. Eine Maßnahme zur Verbesserung der Exergieeffizienz

der Reaktionszonen besteht darin, das Temperaturniveau anzuheben. Dies wird für ein

alternatives Prozessdesign durch den Einsatz bestverfügbarer Luftvorwärmer simuliert. Die

erhöhte Temperatur wirkt sich im Ergebnis tatsächlich positiv auf die Wirtschaftlichkeit der

Gesamtanlage aus.

Da die alternativen Prozessdesigns unterschiedliche Einflüsse auf die Bewertungskriterien

haben, wird in einer weiteren Simulation untersucht, welches Potential sich aus einer Kombi-

nation der beiden untersuchten Einzelmaßnahmen ergibt. Im Ergebnis lässt sich festhalten,

dass sich die Maßnahmen zur Prozessverbesserung gegenseitig beeinflussen. In absoluten

Größen betrachtet, wird insbesondere das Potential, welches sich aus einer Quenchwasser-

substitution ergibt, durch eine Anhebung der Austrittstemperatur des Reaktors reduziert.

Werden hingegen die relativen Auswirkungen auf die untersuchten Kennzahlen für die Ge-

samtanlage beobachtet, ergeben sich zusätzliche Informationen auf einer übergeordneten

Ebene. Die negativen Auswirkungen auf die Gesamtwirtschaftlichkeit durch die Erweiterung

der Reaktoren mit Dampferzeugern lassen sich durch den positiven Einfluss von bestverfüg-

baren Luftvorwärmern auf die entsprechende Kennzahl ausgleichen.

Die Ergebnisse der Deckungsbeitragsanalyse der Bestandsanlage zeigen auf, dass sämtliche

Material- und Energieströme, die innerhalb der Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlage auftreten,

negative Deckungsbeiträge aufweisen. Elektrische Ströme, die im Prozess zum Antrieb von

Pumpen, Verdichtern und Perlmaschinen stromaufwärts eingesetzt werden, weisen positive

Deckungsbeiträge auf. Elektrizität, die hingegen für Antriebe im Wasserdampfkreislauf einge-

setzt oder am Markt verkauft wird, erzeugt negative Deckungsbeiträge. Mit den Ergebnissen

für den Einsatz bestverfügbarer Luftvorwärmer entsteht daher die Idee, zu untersuchen,

inwiefern die Nutzung von Elektrizität zur Luftvorwärmung ökonomisch sinnvoll ist. Es stellt

sich heraus, dass sich der bestehende Gesamtprozess durch eine elektrische Luftvorwär-

mung nicht nur wirtschaftlich sondern auch exergetisch und ökologisch verbessern lässt. Es

sollten weitere Möglichkeiten untersucht werden, wie der Stromüberschuss dazu benutzt

werden kann, die Reaktoren bei der Herstellung des Carbon Blacks zu unterstützen. Die

Wertigkeit der Material- und Energieströme, die zur Elektrizitätserzeugung dienen, wür-

de durch die Umsetzung solcher Maßnahmen zunehmen. Im Ergebnis lässt sich mit Hilfe

der angepassten exergiebasierten Methoden ein betriebswirtschaftlich motivierter Prozess

zur Anlagenverbesserung implementieren, der ebenfalls zur signifikanten Steigerung von

Exergie- und Umwelteffizienz in Kuppelproduktionsanlagen führt.

vi

Abstract

In this work, exergy-based methods are used to investigate an existing carbon black plant on

the basis of different evaluation criteria. Thereby, material and energy flows are evaluated

exergetically, exergoeconomically, and exergoecologically. For the application of the exer-

goeconomic analysis, the conventional cost analysis has been extended, so that besides a

minimization of costs, the maximization of revenues or contribution margins can also be

defined as an objective of this method. In this way, it can be applied to existing cogeneration

processes in order to derive economically motivated design changes from it and to increase

the resource efficiency at the same time.

The greatest potentials for improvements in efficiency can be identified depending on the

evaluation criterion in different plant areas. A high proportion of exergy is destroyed in the

reactors. This is one reason why the focus in the search for improvements is placed on this

component group.

The exergoeconomic cost analysis shows that the costs which occur within the quenches

are mainly related to thermodynamic inefficiencies rather than to fixed costs. Therefore,

an alternative process design is investigated in which the cooling of the product stream in

the reactors is realized by steam generators. This reduces the cost stream through exergy

destruction and increases the cost efficiency in the production of the total exergy product.

However, this increases the overall contribution margin less than the costs, so that this design

change has a negative effect on the profitability of the production.

From the exergoeconomic revenue analysis it is clear that in the reaction zones of the reactors

particularly high revenues and contribution margins are destroyed by irreversibilities. This is

mainly due to the fact that in these components the production of the main product takes

place, which has a higher market value than the by-products. One suggestion to improve the

exergy efficiency of the reaction zones is to raise the temperature level. This is simulated in an

alternative process design by using best available air preheaters. The increased temperature

actually has a positive effect on the economy of the overall system.

vii

Since the two alternative process designs have different influences on the evaluation criteria,

an additional simulation examines the potential resulting from a combination of the two

individual design changes investigated. As a result, it can be stated that the two changes

in the process design influence each other. In absolute terms, the potential resulting from

the quench water substitution is reduced by raising the exit temperature of the reactor. If,

on the other hand, the relative effects on the examined key figures are observed, additional

information can be obtained. The negative effects on the overall economics through the

combination of reactors with steam generators can be compensated by the positive influence

of the best available air preheaters.

The results of the contribution margin analysis show that all material and energy flows that

occur within the combined heat and power plant show negative contribution margins. The

produced electricity which is used upstream in the process, generates positive contribution

margins by driving pumps, compressors and pelletizers. Electricity, however, which is used

for drives in the steam cycle or sold to the market, generates negative contribution margin

streams. The temperature increase of preheated air improves the process’ economy. Therefo-

re it is investigated to what extent the use of electricity for air preheating makes economic

sense. It turns out that the existing overall process can be improved by electric air preheating,

not only from the economical, but also from the exergetical and ecological point of view.

Further ways should be explored of how the surplus of electricity can be used to assist the

reactors in the production of the carbon black. As a result of the implementation of electrical

heaters, the value of the streams within the combined heat and power plant would increase.

Consequently, a process for plant improvements can be implemented, which also leads to a

significant increase in exergy efficiency and environmental efficiency in chemical plants of

joint production.

viii

Inhaltsverzeichnis

Vorwort iii

Zusammenfassung v

Abstract vii

Inhaltsverzeichnis x

Nomenklaturverzeichnis xi

Abbildungsverzeichnis xviii

Tabellenverzeichnis xx

1 Einleitung 1

2 Hintergrund 52.1 Carbon Black . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52.2 Carbon Black Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2.1 Gesamtanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2.2 Furnaceruß-Reaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72.2.3 Carbon Black Erzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82.2.4 Carbon Black Nachbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.2.5 Kraft-Wärme-Kopplungsanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3 Methodische Grundlagen 133.1 Stand der Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133.2 Exergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143.3 Exergieanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153.4 Exergoökonomische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.4.1 Begriffsklärung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173.4.2 Analyse der Kostenströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213.4.3 Kostenschätzung von Anlagenkomponenten . . . . . . . . . . . . . . . . 243.4.4 Analyse der Erlösströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

ix

Inhaltsverzeichnis

3.4.5 Analyse der Deckungsbeitragsströme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.5 Exergoökologische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.5.1 Abschätzung komponentenbezogener Umweltlasten . . . . . . . . . . . 34

4 Modellierung und Annahmen 354.1 Szenarienübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354.2 Allgemeine Hinweise und Annahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

4.2.1 Exergoökonomische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424.2.2 Exergoökologische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

5 Ergebnisse 495.1 Analyse des bestehenden Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

5.1.1 Exergieanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505.1.2 Exergoökonomische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.1.3 Exergoökologische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695.1.4 Ableitung von Maßnahmen zur Prozessverbesserung . . . . . . . . . . . 75

5.2 Analyse alternativer Szenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.2.1 Teilsubstitution von Quenchwasser - Szenario II . . . . . . . . . . . . . 775.2.2 Anhebung der Verbrennungslufttemperatur durch Austausch einiger

Luftvorwärmer 1 - Szenario III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.2.3 Kombination von Prozessänderungen - Szenario IV . . . . . . . . . . . . 1055.2.4 Umbaumaßnahme: Elektrische Luftvorwärmung - Szenario V . . . . . 113

6 Zusammenfassung und Ausblick 123

Literaturverzeichnis 129

Anhang 139

A Anhang 141A.1 Annahmen Kostenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

A.1.1 Generelle Annahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141A.1.2 Kostenfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

A.2 Annahmen Lebenszyklusanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146A.2.1 Generelle Annahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146A.2.2 Gewichtsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

A.3 Exergetische Wirkungsgradsdefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152A.4 Ergebnistabellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155A.5 Prozessfließbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168

x

Nomenklaturverzeichnis

Abkürzungen

Abkürzung Beschreibung

CBCarbon Black (Englisch/Deutsch) = In-

dustrieruß

CEPCI

Chemical Engineering Plant Cost Index

(Englisch) = Kostenindex für chemische

Anlagen

COFECape Open Flowsheet Environment (Eng-

lisch) = Cape Open Fließbildumgebung

DGL Differentialgleichung

FLR Flammruß

KWK Kraft-Wärme-Kopplung

LCALife Cycle Assessment (Englisch) = Le-

benszyklusanalyse

PEPurchased Equipment (Englisch) = Ge-

kaufte Komponenten

RZ Reaktionszone

Exponenten

Symbol Beschreibung

a Skallierungsexponent

xi


CH Chemie

I Index für Deckungsbeitrag 1

II Index für Deckungsbeitrag 2

KN Kinetik

mAnzahl austretender Ströme einer Kom-

ponente

nAnzahl eintretender Ströme einer Kom-

ponente

PFPollutant Formation (Englisch) = Schad-

stoffgenerierung

PH Physik

PT Potential

Griechische Symbole

Symbol Beschreibung Einheit

ε Exergetischer Wirkungsgrad −

εB.

E PUmwelteffizienz des Gesamtprodukts MWhex

mPts

εC.

E PKosteneffizienz des Gesamtprodukts kWhex

e

εB.

mCBUmwelteffizienz von Carbon Black

kgCBmPts

εC.

mCB

Kosteneffizienz des Carbon Black Mas-

senstroms

gCB

e

εO.

OIICB

Deckungsbeitrags-2-strombezogene

Wirtschaftlichkeit von Carbon Black−

εO.

OIIP


Wirtschaftlichkeit des Gesamtprodukts−

εO.

OIP


Wirtschaftlichkeit des Gesamtprodukts−

xii


εO.

OIC B


Wirtschaftlichkeit von Carbon Black−

εR.

RCB

Erlösstrombezogene Wirtschaftlichkeit

von Carbon Black−

εR.

RP

Erlösstrombezogene Wirtschaftlichkeit

des Gesamtprodukts−

τ Amortisationszeit a

Indizes

Symbol Beschreibung

0 Umgebungszustand

B Base (Englisch) = Basis

b Boundary (Englisch) = Grenze

BMBare Module Installation (Englisch) = Mo-

dulinstallation

CBCarbon Black (Englisch/Deutsch) = In-

dustrieruß

CnHm Kohlenwasserstoffe

d Design

D Destruction (Englisch) = Vernichtung

en Energetisch

ex Exergetisch

ein Eintretender Strom

el Elektrisch

F Fuel (Englisch) = Brennstoff, Aufwand

gen Generated (Englisch) = erzeugt

xiii


i Laufvariable für Stromnummern

j Laufvariable für Stromnummern

k Komponente

L Loss (Englisch) = Verlust

M Module (Englisch) = Modul

m Material (Englisch) = Material

p Pressure (Englisch) = Druck

P Product (Englisch) = Produkt

q Formelzeichen für Wärme

T Temperature (Englisch) = Temperatur

th Thermisch

tot Total (Englisch) = Gesamtsystem

W Komponentenbezeichnung

Y Komponentenbezeichnung

Römische Symbole

Symbol Beschreibung Einheit

A Fläche m2

.B Umweltbelastungsstrom Pts

h

b Exergiespezifische Umweltbelastung PtsMWhex

.C Kostenstrom e

h

c Exergiespezifische Kosten eMWhex

e Molenspezifische Exergie kJkmol

xiv


.E Exergiestrom MW

ECO Emissionsbedingter Schadensfaktor mP t skg

f Exergoökonomischer Faktor −

fb Exergoökologischer Faktor −

foExergoökonomischer Deckungsbeitrags-

faktor−

fr Exergoökonomischer Erlösfaktor −

g Erdbeschleunigung ms2

h Molenspezifische Enthalpie kJkmol

.m Massenstrom t

h

.O Deckungsbeitragsstrom e

h

o Exergiespezifischer Deckungsbeitrag eMWhex

.R Erlösstrom e

h

R Ideale Gaskonstante Jmol·K

r Exergiespezifischer Erlös eMWhex

r Relative Kostendifferenz −

rbRelative Differenz der exergiespezifi-

schen Umweltbelastungen−

ro Relative Deckungsbeitragsdifferenz −

rr Relative Erlösdifferenz −

s Molenspezifische Entropie kJkmol·K

.S Entropiestrom MW

K

T Temperatur °C, bzw. K

U Wärmedurchgangskoeffizient Wm2·K

xv


v Geschwindigkeit ms

.Q Wärmestrom MW

.W Arbeitsstrom MW

X Kapazität einer Komponente -

x Molanteil −.

YKomponentenbezogener Umweltbelas-

tungsstromPtsh

y Exergievernichtungsverhältnis −.

ZKomponentenbezogener Fixkosten-

stromeh

z Geodätische Höhe m

xvi

Abbildungsverzeichnis

1.1 Historische Entwicklung der energetischen Nachhaltigkeit in Deutschland . . . 11.2 Historische Entwicklung relevanter Erzeugerpreisindizes . . . . . . . . . . . . . . 3

2.1 Skizze der Gesamtanlage am Standort . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.2 Schematische Darstellung eines Furnaceruß-Reaktors. . . . . . . . . . . . . . . . 72.3 Prozessfließbild der Carbon Black Erzeugungseinheit . . . . . . . . . . . . . . . . 92.4 Prozessfließbild der Nachbehandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.5 Prozessfließbild der Restgasnutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

4.1 Historische Entwicklung des Kostenindexes für chemische Anlagen . . . . . . . . 43

5.1 Flussdiagramm: Exergieströme in der Erzeugungseinheit . . . . . . . . . . . . . . 505.2 Balkendiagramm: Exergievernichtungsquotienten von Komponentengruppen . 515.3 Flussdiagramm: Spezifische Kosten in der Erzeugungseinheit . . . . . . . . . . . 565.4 Flussdiagramm: Kostenströme in der Erzeugungseinheit K7 . . . . . . . . . . . . 575.5 Balkendiagramm: Ursachen der Kostengestehung in Komponentengruppen . . 585.6 Flussdiagramm: Spezifische Erlöse in der Erzeugungseinheit . . . . . . . . . . . . 605.7 Flussdiagramm: Erlösströme in der Erzeugungseinheit . . . . . . . . . . . . . . . 615.8 Balkendiagramm: Ursachen der Erlösvernichtung in Komponentengruppen . . 625.9 Flussdiagramm: Spezifische Deckungsbeiträge in der Erzeugungseinheit . . . . . 645.10 Flussdiagramm: Deckungsbeitragsströme in der Erzeugungseinheit . . . . . . . . 655.11 Balkendiagramm: Ursachen der Deckungsbeitragsvernichtung in Komponenten-

gruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665.12 Flussdiagramm: Spezifische Umweltlasten in der Erzeugungseinheit . . . . . . . 695.13 Flussdiagramm: Umweltbelastungsströme in der Erzeugungseinheit K7 . . . . . 705.14 Balkendiagramm: Ursachen der Umweltlastgestehung in Komponentengruppen 715.15 Skizze zu Szenario II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.16 Balkendiagramm: Ergebnisvergleich von Exergieanalysen . . . . . . . . . . . . . . 795.17 Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen . . . 825.18 Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen . . . . . 845.19 Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsana-

lysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

xvii

Abbildungsverzeichnis

5.20 Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen . . . . . . . . 885.21 Skizze zu Szenario III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915.22 Balkendiagramm: Ergebnisvergleich von Exergieanalysen . . . . . . . . . . . . . . 935.23 Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen . . . 965.24 Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen . . . . . 985.25 Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsana-

lysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005.26 Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen . . . . . . . . 1025.27 Skizze zu Szenario IV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.28 Skizze zu Szenario V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

xviii

Tabellenverzeichnis

5.1 Ergebnisse der Exergieanalyse - Szenario I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525.2 Vergleich ökonomischer Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545.3 Ergebnisse der exergoökonomischen Kostenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . 595.4 Ergebnisse der exergoökonomischen Erlösanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635.5 Ergebnisse der exergoökonomischen Deckungsbeitragsanalyse . . . . . . . . . . 675.6 Ergebnisse der exergoökologischen Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725.7 Ergebnisvergleich von Exergieanalysen - Szenario II . . . . . . . . . . . . . . . . . 805.8 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario II . . . . . . . 835.9 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario II . . . . . . . . 855.10 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario II 875.11 Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario II . . . . . . . . . . . . 895.12 Ergebnisvergleich von Exergieanalysen - Szenario III . . . . . . . . . . . . . . . . . 955.13 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario III . . . . . . 975.14 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario III . . . . . . . 995.15 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario III 1015.16 Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario III . . . . . . . . . . . 1035.17 Ergebnisvergleich von Exergieanalysen - Szenario IV . . . . . . . . . . . . . . . . . 1065.18 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario IV . . . . . . 1085.19 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario IV . . . . . . . . 1095.20 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario IV 1105.21 Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario IV . . . . . . . . . . . 1115.22 Ergebnisvergleich von Exergieanalysen - Szenario V . . . . . . . . . . . . . . . . . 1155.23 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario V . . . . . . . 1165.24 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario V . . . . . . . . 1175.25 Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario V 1185.26 Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario V . . . . . . . . . . . . 119

1.1 Aufschlüsselung des Kapitalbedarfs für Gemeinkosten . . . . . . . . . . . . . . . . 1421.2 Kostenfunktionen für Abhitzekessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1421.3 Kostenfunktionen für Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1431.4 Kostenfunktionen für Industriekesselanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1441.5 Kostenfunktionen für Rohrbündelwärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

xix

Tabellenverzeichnis

1.6 Generelle Annahmen über Umweltbelastungen durch Herstellung und Entsor-gung von Komponenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

1.7 Annahmen über die materielle Zusammensetzung von Komponenten - Teil 1 von 21481.8 Annahmen über die materielle Zusammensetzung von Komponenten - Teil 2 von 21491.9 Gewichtsfunktionen für Abhitzekessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1501.10 Gewichtsfunktionen für Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1501.11 Gewichtsfunktionen für Rohrbündelwärmeübertrager . . . . . . . . . . . . . . . . 1511.12 Gewichtsfunktionen für Pumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1511.13 Ergebnisse Szenario I (Bestandsystem), Exergieanalyse, exergoökonomische Kos-

tenanalyse, exergoökologische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1561.14 Ergebnisse Szenario I (Bestandsystem), Exergieanalyse, exergoökonomische Erlös-

und Deckungsbeitragsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1571.15 Ergebnisse Szenario I (Bestandsystem) exklusive Komponentenkosten und -

Umweltbelastungen, Exergieanalyse, exergoökonomische Kostenanalyse, exergo-ökologische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

1.16 Ergebnisse Szenario I (Bestandsystem) exklusive Komponentenkosten, Exergie-analyse, exergoökonomische Erlös- und Deckungsbeitragsanalyse . . . . . . . . 159

1.17 Ergebnisse Szenario II (Dampferzeugung im Reaktor), Exergieanalyse, exergoöko-nomische Kostenanalyse, exergoökologische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . 160

1.18 Ergebnisse Szenario II (Dampferzeugung im Reaktor), Exergieanalyse, exergoöko-nomische Erlös- und Deckungsbeitragsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

1.19 Ergebnisse Szenario III (bestverfügbare Luftvorwärmer), Exergieanalyse, exergo-ökonomische Kostenanalyse, exergoökologische Analyse . . . . . . . . . . . . . . 162

1.20 Ergebnisse Szenario III (bestverfügbare Luftvorwärmer), Exergieanalyse, exergo-ökonomische Erlös- und Deckungsbeitragsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

1.21 Ergebnisse Szenario IV (Kombination von Prozessänderungen), Exergieanalyse,exergoökonomische Kostenanalyse, exergoökologische Analyse . . . . . . . . . . 164

1.22 Ergebnisse Szenario IV (Kombination von Prozessänderungen), Exergieanalyse,exergoökonomische Erlös- und Deckungsbeitragsanalyse . . . . . . . . . . . . . . 165

1.23 Ergebnisse Szenario V (elektrische Luftvorwärmung), Exergieanalyse, exergoöko-nomische Kostenanalyse, exergoökologische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . 166

1.24 Ergebnisse Szenario V (elektrische Luftvorwärmung), Exergieanalyse, exergoöko-nomische Erlös- und Deckungsbeitragsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

xx

1. Einleitung

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020k€

2010

Indi

kato

rpun

kte

(199

0=10

0)

Jahr

Energieproduktivität (1990=100) Primärenergiebedarf (1990=100) BIP je Einwohner (Preise von 2010 in 1000 Euro)

Abbildung 1.1: Historische Entwicklung der energetischen Nachhaltigkeit in Deutschland

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Suche nach Potentialen zur Effizienzverbesserung einer

realen Carbon Black Produktionsanlage. Das Bemühen, dabei betriebswirtschaftliche Ziele

und Umweltziele miteinander zu vereinen, deckt sich mit dem übergeordneten Ziel einer

Volkswirtschaft, den Wohlstandswachstum bei gleichzeitig sinkendem Primärenergiebedarf

zu generieren. Der Quotient dieser beiden Faktoren wird als Energieproduktivität bezeichnet

und vom statistischen Bundesamt regelmäßig zur Nachhaltigkeitsindikation veröffentlicht

1

Kapitel 1 Einleitung

[36]. Die historische Entwicklung dieses Indikators ist für die Bundesrepublik Deutschland

in der Abbildung 1.1 zu sehen.

Um den Prozess zur Herstellung von Carbon Black mit exergiebasierten Methoden zu unter-

suchen, wurde vorab ein Projekt zur exergetischen Bilanzierung von chemischen Anlagen

am Beispiel von Carbon Black durchgeführt [74]. Die übliche Vorgehensweise, bestverfüg-

bare Komponenten einzusetzen, um die Effizienz einer Gesamtanlage zu steigern, bietet

gegenüber Mitbewerbern keinen Wettbewerbsvorteil. Nicht berücksichtigt werden dabei

komplexe Zusammenhänge der Komponenteninteraktionen an gewachsenen Standorten.

Die exergiebasierte Analyse der Gesamtanlage wird dazu eingesetzt, die Zusammenhänge

auf der Komponentenebene zu veranschaulichen und unkonventionelle, auf den Stand-

ort zugeschnittene, Verbesserungsmaßnahmen zu identifizieren. Aus den Ergebnissen des

gemeinsamen Projektes mit dem Anlagenbetreiber der untersuchten Anlage ist die Idee ent-

standen, mit Hilfe einer angepassten exergoökonomischen Analyse betriebswirtschaftlich

motivierte Maßnahmen zur Verbesserung der Effizienz abzuleiten.

Die vorliegende Arbeit lässt sich übergeordnet in den Trend zu mehr Nachhaltigkeit in der

Industrie einordnen. Aufgrund des hohen Rohstoffbedarfs der Carbon Black Produktion

und wegen des Wettbewerbsdrucks in einer Marktwirtschaft, decken sich ökonomische

Ziele des Betreibers einer Carbon Black Produktionsanlage, wie den Rohstoffverbrauch zu

reduzieren, mit dem ökologischen Nachhaltigkeitsziel der Gesellschaft. Dieser Einklang der

Ziele ist jedoch abhängig von Marktpreisverhältnissen. So sind investive Maßnahmen zur

Steigerung der Kosteneffizienz in Zeiten hoher Rohstoffpreise besonders attraktiv. Befinden

sich die Rohstoffpreise hingegen auf einem geringen Preisniveau, ist der Wettbewerbsdruck,

Kostenvorteile aus Effizienzmaßnahmen zu generieren, gering. Da sich die Marktpreise der

Produkte nicht direkt aus den Herstellungskosten, sondern aus dem Zusammenspiel von

Angebot und Nachfrage der jeweiligen Produkte ergeben, kann neben der Kosteneffizienz

ein Wettbewerbsdruck identifiziert werden, der aus einem zweiten ökonomischen Prinzip

resultiert. Demnach ist bei gegebenem Kostenstrom ein maximaler Erlösstrom zu erzielen.

Besitzt ein Anlagenbetreiber eine Art Monopolstellung bezüglich der Herstellung besonders

hochwertiger Produkte, können für solche Produkte am Markt Preise erzielt werden, die nicht

mit den Rohstoffpreisen korrelieren. Bei sinkenden Rohstoffpreisen nimmt der Stellenwert

von Kosteneinsparmaßnahmen gegenüber dem von Erlösmaximierungsmaßnahmen ab.

Zeitliche Verläufe relevanter Erzeugerpreisindizes sind in der Abbildung 1.2 veranschaulicht

[35]. Daraus geht hervor, dass sich, gemessen am mittleren Preisniveau des Jahres 2010, die

Erzeugerpreisverhältnisse zeitlich stetig verändern. So gibt es Phasen, in denen sowohl die

2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1998 2003 2008 2014 2019

Indi

kato

rpun

kte

Jahr

Chemische Erzeugnisse (2010=100) Öl und Erdgas (2010=100) Elektrischer Strom (2010=100)

Abbildung 1.2: Historische Entwicklung relevanter Erzeugerpreisindizes

Preise eingesetzter Rohstoffe, als auch die Preise von Haupt- und Nebenprodukten einer

chemischen Anlage steigen oder fallen. Daneben gibt es allerdings ebenfalls Zeiträume, in

denen die Preise des Nebenprodukts fallen und die des Hauptprodukts sowie der Rohstoffe

steigen und anders herum.

Aus dem Einfluss variabler Marktpreisverhältnisse auf die Wertigkeit von Effizienzmaßnah-

men wird die Idee abgeleitet, die konventionelle exergoökonomische Analyse anzupassen.

Eine Erweiterung der exergoökonomischen Kostenanalyse um die Bewertungsfaktoren Er-

löse und Deckungsbeiträge, führt zu zusätzlichen Erkenntnissen über die wirtschaftlichen

Zusammenhänge in der untersuchten Kuppelproduktion. Daraus lassen sich Effizienzmaß-

nahmen ableiten, die weder aus einer Exergieanalyse noch aus einer exergoökonomischen

Kostenanalyse oder einer exergoökologischen Analyse direkt abzuleiten sind. Dennoch wir-

ken sich Effizienzmaßnahmen, die sich aus dem Ziel der Deckungsbeitragsmaximierung

ergeben, aufgrund des hohen Rohstoffbedarfs des untersuchten Prozesses positiv auf die

Exergieeffizienz und somit auf die ökologische Effizienz der Anlage aus.

3

2. Hintergrund

2.1 Carbon Black

Carbon Black (CB) ist der englische Begriff für industriell hergestellten Ruß. Unerwünschte

Rückstände der Verbrennung werden im Englischen als ”soot” bezeichnet. Im Deutschen

können sowohl der Begriff Industrieruß als auch der Begriff Carbon Black gleichwertig

verwendet werden [65]. Für diese Arbeit wird der in der Industrie gängige Begriff Carbon

Black als Synonym für den industriell hergestellten Ruß genutzt. Im industriellen Maßstab

wird Carbon Black mit Hilfe einer unvollständigen Verbrennung von Kohlenwasserstoffen

produziert. Es wird dabei im Wesentlichen zwischen den Prozessen zur Herstellung von

Furnaceruß, Acetylenruß, Channelruß, Gasruß, Flammruß und Thermalruß unterschieden.

Der Hersteller, dessen Anlage in dieser Arbeit untersucht wird, gibt an, dass mehr als 98 %

des weltweit produzierten Carbon Blacks im Furnacerußprozess entsteht [18]. In dieser

Arbeit werden ausschließlich die Anlagenbauteile untersucht, die mit diesem Verfahren in

direktem Zusammenhang stehen1. Industrieruß dient zu schätzungsweise 90 % der allge-

meinen Gummiproduktion und zu rund 65 % der Herstellung von Reifen [49]. Hinsichtlich

des Einsatzgebietes von Carbon Black kann zwischen Rubber Carbon Blacks für die Gum-

miproduktion sowie Specialty Carbon Blacks für Anwendungen in anderen Bereichen wie

Druckerfarben, Lacke, und Polymerverbindungen unterschieden werden. Carbon Black

dient in den unterschiedlichen Anwendungsgebieten als Füllmaterial. Es ist in der Lage,

die Abriebfestigkeit von Gummiartikeln wie Reifen positiv zu beeinflussen. Neben der Ver-

besserung von mechanischen Eigenschaften wird der Stoff des Weiteren eingesetzt, um

die elektrische Leitfähigkeit von Kunststoffen zu verändern. Zusätzlich wird Carbon Black

aufgrund seiner optischen Eigenschaften als Schutz vor ultravioletter Strahlung eingesetzt.

1 Am untersuchten Standort gibt es weitere Verfahren zur Rußproduktion. Aufgrund ihres untergeordnetenBeitrags zum Gesamtumsatz werden die zugehörigen Komponenten in dieser Arbeit nicht berücksichtigt.

5

Kapitel 2 Hintergrund

2.2 Carbon Black Prozess

Im folgenden Kapitel wird der Aufbau des untersuchten Prozesses vorgestellt. Die Bestands-

aufnahmen, bei denen die Anlage Vorort besichtigt wurde, erfolgten bis zum Herbst 2016.

Umbaumaßnahmen, die zu einem späteren Zeitpunkt erfolgten, sind nicht in dieser Arbeit

berücksichtigt worden. Als Zeitraum für die Aufnahme von geeigneten Messwerten für die

Validierung von simulierten Prozessabschnitten wurde der September 2015 gewählt, bei dem

die Gesamtanlage bei vergleichsweise konstanten Messwerten gefahren wurde.

2.2.1 Gesamtanlage

CB

Nachbehandlung

CB

Nachbehandlung

CB

Erzeugung

CB

Nachbehandlung

Kraft-

Wärme-

Kopplungs-

Anlage

CB

Erzeugung

CB

Erzeugung

CB

Erzeugung

CB

Nachbehandlung

Abbildung 2.1: Skizze der Gesamtanlage am Standort

Die untersuchte Anlage setzt sich entsprechend der Abbildung 2.1 aus den drei Einheiten

CB Erzeugung, CB Nachbehandlung und Kraft-Wärme-Kopplungs-(KWK)-Anlage zusam-

men. Dabei entsteht das Hauptprodukt Carbon Black in der Einheit CB Erzeugung. In der

anschließenden Nachbehandlung sind Prozessschritte zusammengefasst, die der Umfor-

mung, Trocknung, sowie dem Transport dienen. Restgas und vorgewärmte Luft, welche bei

der Carbon Black Erzeugung als Nebenprodukte entstehen, werden in der Kraft-Wärme-

Kopplungsanlage in Wärme und Elektrizität umgewandelt. In den nachfolgenden Abschnit-

ten dieses Kapitels werden Fließbilder der einzelnen Anlageneinheiten präsentiert. Am un-

tersuchten Standort werden Reaktoren verschiedener Bauart betrieben. Zum Zeitpunkt der

6


Aufnahme von Messdaten wurden auf acht Reaktoren gleichzeitig sieben unterschiedliche

Güteklassen produziert. Die Nachbehandlungen der einzelnen Carbon Black Sorten erfolgen

unterschiedlich. Carbon Black wird sowohl als Pulver als auch in Perlenform verkauft. Dabei

werden nasse und trockene Verfahren zur Herstellung von Agglomeraten angewandt.

2.2.2 Furnaceruß-Reaktor

Luft

Brennstoff

Feedstock Wasser Wasser

Carbon Black-

Gasgemisch

1 2 3 4 5

Abbildung 2.2: Schematische Darstellung eines Furnaceruß-Reaktors. 1 Vorbrennkammer, 2 Misch-zone, 3 Reaktionszone, 4 Vorquench, 5 Hauptquench

In der Abbildung 2.2 ist das Schema eines Furnaceruß-Reaktors zu sehen. Dieser lässt sich

für diese Arbeit zweckmäßig in fünf Bereiche aufteilen. Sofern nicht anders angegeben, sind

die im folgenden Abschnitt zusammengefassten Informationen der Literatur [49] entnom-

men. In einer Vorbrennkammer (1) wird zunächst ein Brennstoff wie Erdgas oder Öl mit

vorgewärmter Luft in einem überstöchiometrischen Verhältnis gemischt und verbrannt.

In das entstehende Rauchgas wird anschließend Feedstock-Öl gesprüht (2). Bei diesem

Rohstoff handelt es sich in der Regel um Öl, welches bei der Verkokung von Kohle oder

als Steamcrackerresiduum in Raffinerien anfällt. Es kann mit Additiven wie Alkalimetallsal-

zen versetzt werden, um die Struktur des entstehenden Hauptproduktes zu beeinflussen.

Die feinen Öltropfen verdampfen im Rauchgas und die darin enthaltenen Kohlenwasser-

stoffverbindungen werden aufgrund der hohen Temperaturen aufgebrochen. Nach dieser

Pyrolyse kondensiert der Kohlenstoff im Bereich der Reaktionszone (3) zu Primärpartikel

und Aggregaten, welche sich schließlich zu Agglomerate verbinden. Ein Teil der thermischen

Energie, die für die Verdampfung von Öl in der Reaktionszone benötigt wird, stammt aus

Verbrennungsreaktionen mit dem überschüssigen Sauerstoff aus der Vorbrennkammer. Um

7


Sekundärreaktionen an dem Carbon Black mit Sauerstoff und wasserstoffreichen Gasmo-

lekülen zu unterbinden, wird die Temperatur anschließend gesenkt. Üblicherweise wird

hierzu mit Hilfe von Wasser2 gequencht. In einigen Reaktoren wird das gesamte Quench-

wasser an einer einzigen Position zugegeben. In anderen Reaktoren wird das Wasser auf

einen Vorquench (4) und einen Hauptquench (5) aufgeteilt. Die Position des Vorquenches (4)

beeinflusst vor allem die Oberflächenbeschaffenheit des Rußes. Reaktionen, die damit im

direkten Zusammenhang stehen, werden verlangsamt. Mit Hilfe des Hauptquenches (5)

erfolgt eine weitere Abkühlung des Carbon Black-Rauchgas-Gemisches im Reaktor. Die Aus-

trittstemperatur wird so gewählt, dass nachfolgende Anlagenkomponenten vor zu hohen

thermischen Belastungen geschützt sind. Die Reaktoren sind von außen mit Stahl verkleidet

und bestehen aus mehreren Schichten feuerfester Oxidkeramiken. Dank der feuerfesten

Auskleidung kann in einigen Reaktoren eine Temperatur von mehr als 2.000 °C erreicht

werden, ohne dass das Material instabil wird. Eine Wärmeisolierung des Reaktors ist in der

Regel nicht möglich. Ansonsten kann das benötigte Temperaturprofil in der Auskleidung

nicht eingehalten werden. Der äußere Stahlmantel eines Reaktors sollte eine Temperatur in

Höhe von ca. 130 °C bis 150 °C aufweisen. Insgesamt wird dadurch ca. 1-2 % der eingesetzten

Energie durch den Wärmetransport über die Reaktorwand an die Umgebung abgegeben

[49].

2.2.3 Carbon Black Erzeugung

In dem Fließbild (Abbildung 2.3) ist eine vereinfachte Verschaltung von Komponenten einer

typischen Produktionslinie des Furnaceruß-Prozesses zu sehen. Mit Hilfe eines Verdich-

ters wird Luft aus der Umgebung angesaugt und in dem Luftvorwärmer 1 erwärmt. Die

thermische Energie wird dabei aus dem Restgas-CB-Gemisch entnommen, welches aus

dem Reaktor austritt. Anschließend strömt die vorgewärmte Luft in den Reaktor und der

darin enthaltene Sauerstoff dient bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen in einer

Vorbrennkammer als Oxidator. Feedstock-Öl wird ebenfalls vorgewärmt, bevor es in den

Reaktor eingedüst wird. Die Wärme hierfür stammt aus einem Heißluftnetz, welches mit

erwärmter Luft aus Luftvorwärmern 2 versorgt wird. Nach den Quenchvorgängen tritt das

Restgas-CB-Gemisch aus dem Reaktor aus und dient im daran angeschlossenen Luftvorwär-

mer 1 zur Vorwärmung von Luft. Da die Temperatur des Restgas-CB-Gemisches nach dem

2Je nachdem, welche Reinheit gewünscht ist, wird dazu unbehandeltes oder demineralisiertes Wasser einge-setzt.

8


Luft

Erdgas

Reaktions-

zone

Feedstock

Öl

Vor-

quench

Quench

Wasser

Wasser

Wasser

Luft

Wasser

Filter

Carbon Black

Restgas

Heißluft

HeißluftÖl-

Vorwärmer

Vorbrenn-

kammer

Luftvor-

wärmer 1Luftvor-

wärmer 2

Ofen

Abbildung 2.3: Prozessfließbild der Carbon Black Erzeugungseinheit

Luftvorwärmer zu hoch ist, um das Hauptprodukt direkt in Filtern vom Gasstrom zu trennen,

werden am untersuchten Standort Luftvorwärmer 2 eingesetzt. Diese übertragen Wärme

vom Restgas-CB-Gemisch auf Luft. Die Heißluft wird anschließend in ein Heißluftnetz gelei-

tet und an verschiedene Komponenten verteilt. Abnehmer dieser Heißluft sind neben den

bereits erwähnten Öl-Vorwärmern, Komponenten zur Trocknung feuchter Carbon Black

Agglomerate sowie Dampferzeuger im Bereich der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage. Statt

Luftvorwärmer 2 kommen an anderen Standorten Abhitzekessel zum Einsatz, welche Was-

serdampf erzeugen. Nachdem das Restgas-CB-Gemisch auf eine zulässige Filtertemperatur

abgekühlt ist, wird das Hauptprodukt im Filter vom Gasstrom getrennt. Um Komponen-

ten wie die Luftvorwärmer 2 und Filter vor zu hohen Temperaturen zu schützen, kann das

Restgas-CB-Gemisch jeweils stromaufwärts dieser Komponenten mit Wasser gemischt und

somit gekühlt werden.

9


2.2.4 Carbon Black Nachbehandlung

Carbon Black

PneumatikLuft

Perl-

maschineWasser

CB

Abpackung

Restgas

Heißluft

Heißluft

Trockner

Abbildung 2.4: Prozessfließbild der Nachbehandlung

Carbon Black kann zu Staubentwicklung neigen. Bevor das Produkt abgepackt wird, ist daher

eine Verdichtung des Materials nötig. Verkauft wird es schließlich als verdichtetes Pulver oder

in Form trocken- beziehungsweise nassgeformter Agglomerate. Exergetisch ist vor allem

das Verfahren mit Wasserzufuhr zur Herstellung von Carbon Black Perlen interessant, da

hierfür Heißluft und Restgas zur Trocknung eingesetzt werden. Ein zugehöriges Prozess-

fließbild ist in der Abbildung 2.4 zu sehen. Nachdem Carbon Black vom Trägergas getrennt

ist, wird es pneumatisch zur Perlmaschine transportiert. Darin werden unter Zusatz von

Wasser und gegebenenfalls weiteren Additiven wie Ligninsulfonat, Molasse oder Zucker

mit Hilfe rotierender Nadeln perlenartige Agglomerate aus Carbon Black geformt [49]. Etwa

die Hälfte des Gewichts dieser Kugeln macht das zugegebene Wasser aus. Daher werden

sie anschließend in rotierenden Trommeln getrocknet. Heißluft aus den Luftvorwärmern 2

umströmt dabei die entstehenden Kugeln und nimmt deren Feuchtigkeit auf. Außerdem

wird die Trommel mit Hilfe von Rauchgas aus einer Verbrennung von Restgas mit Heißluft

10


beheizt. Nach der Trocknung wird das Carbon Black in ein Gebäude befördert, in dem es in

flexible Schüttgutbehälter gefüllt wird. Diese Schüttgutbehälter werden am untersuchten

Standort per Lastkraftwagen abtransportiert.

2.2.5 Kraft-Wärme-Kopplungsanlage

40 b

ar

Dam

pfn

etz

Kessel 3

Kessel 4

Kessel 5

Kessel 7

„FLR“-

Dampferzeuger

Kessel 6

Umgebungs-

Luft

Umgebungs-

Luft

Umgebungs-

Luft

Umgebungs-

Luft

Luft

Heißluft

Restgas

Heißluft

Restgas

Heißluft

Restgas

Heißluft

Restgas

Erdgas

Heißluft

G

GUmgebungs-

Luft

Luft zu LuVo2

Turbine 2

Turbine 1

LuVo-

Turbine

Speisewasser-

Turbine

Speisewasser-

Turbine

Abgas

15 b

ar D

amp

fnet

z25 b

ar D

ampfn

etz

8 b

ar D

ampfn

etz

Eigenbedarf

Eigenbedarf

Eigenbedarf

Fernwärme

Abbildung 2.5: Prozessfließbild der Restgasnutzung

11


Das Restgasgemisch, welches bei der Entstehung von Carbon Black in den Furnaceruß Reak-

toren anfällt, weist wasserfreie Volumenanteile von bis zu 15 % Kohlenstoffmonoxid, 24 %

Wasserstoff, und jeweils weniger als 1 % Methan und Acetylen auf [49]. Es ist brennbar und

neben der Trocknung feuchter Carbon Black Agglomerate, zur Erzeugung von elektrischer

Energie sowie Prozessdampf und Heizwärme geeignet. An dem untersuchten Standort wird

Restgas aus verschiedenen Herstellungsverfahren in einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage

eingesetzt. Ein vereinfachtes Fließbild dieses Anlagenteils ist in der Abbildung 2.5 zu sehen.

An dem Standort wird seit 1895 Ruß produziert [17]. Über die Jahre ist die Anlage ausgebaut

worden. Aufgrund der gewachsenen Struktur stehen zum Zeitpunkt der Untersuchung vier

Kessel zur Dampferzeugung aus Restgas im Kraftwerksteil der Anlage zur Verfügung. Kessel 6

stellt Dampf auf einem Druckniveau von rund 90 bar bereit, wohingegen die restlichen Kessel

Dampf auf niedrigeren Druckniveaus (40 bar und 8 bar) erzeugen.

Der 90-bar-Dampfkreislauf dient ausschließlich dazu, elektrische Energie in der Kondensa-

tionsturbine3 2 zu produzieren. Der Dampf auf dem geringeren Druckniveau von rund 40 bar

wird ebenfalls zu einem Teil zur Erzeugung elektrischer Energie eingesetzt. Des Weiteren wer-

den Gegendruckturbinen angetrieben. Sie dienen dem mechanischen Antrieb von einigen

Luftverdichtern und Speisewasserpumpen. Ein Teil des Dampfs wird auf 25 bar, 15 bar und

8 bar gedrosselt, um im Prozess eingesetzt werden zu können. Ein 8 bar Dampfnetz versorgt

die Wärmenetze des Werksgeländes und der angrenzenden Gemeinde mit Wärme.

3Als Turbine wird hier und im Weiteren die gesamte Turbinengruppe bestehend aus Expander, Welle sowieGenerator bezeichnet.

12

3. Methodische Grundlagen

Im folgenden Kapitel werden die angewandten Methoden beschrieben. Dabei wird die

Nomenklatur, dort wo es möglich ist, nach [96] sowie [75] verwendet. Sie ist im Nomenkla-

turverzeichnis dokumentiert.

3.1 Stand der Forschung

Eine Übersicht über die Geschichte sowie den Stand der exergiebasierten Methoden ist in der

Arbeit von F. Petrakopoulou zu finden [84]. Darin werden neben der Exergieanalyse ebenfalls

die exergoökonomische und die exergoökologische Exergieanalyse beschrieben. Da diese

konventionellen Analysen nicht ausreichend sind, um die Interaktionen zwischen Kom-

ponenten sowie ein mögliches Verbesserungspotential abzuschätzen, wurden zudem die

erweiterten Analysen entwickelt. Hierbei werden Ineffizienzen in endogene sowie exogene

Anteile aufgeteilt. Des weiteren kann eine Abschätzung über Effizienzverbesserungen einzel-

ner Komponenten vorgenommen werden. In Abhängigkeit der dabei getroffenen Annahmen

können die Ineffizienzen somit weiter in vermeidbare und unvermeidbare Anteile unterteilt

werden. Thermodynamische Ineffizienzen, Kosten und Umweltbelastungen lassen sich in en-

dogene, exogene, vermeidbare endogene/exogene und unvermeidbare endogene/exogene

Anteile aufteilen. Diese Ansätze werden in der vorliegenden Arbeit nicht präsentiert, da sie

sich im Laufe der Bearbeitung als nicht zielführend für die Identifizierung individueller wett-

bewerbsvorteilhafter Effizienzmaßnahmen in der betrachteten Kuppelproduktionsanlage

erwiesen haben.

Die für diese Arbeit entwickelte Erweiterung der konventionellen exergoökonomischen Ana-

lyse mit Erlös- und Deckungsbeitragsströmen, liefert hingegen mit einem Aufwand der für

eine industrielle Anwendung vertretbar sein kann einen deutlichen Mehrwert gegenüber den

bisherigen konventionellen und erweiterten Methoden in Kuppelproduktionsanlagen. Ein

13

Kapitel 3 Methodische Grundlagen

Ansatz zur exergoökonomischen Erlösanalyse ist von Paulus präsentiert worden [81]. Dabei

werden die Regeln zur Kostenaufteilung invertiert, um Erlösströme zwischen Komponenten

aufzuteilen. Diese Vorgehensweise führt jedoch beispielsweise in einem Dampferzeuger

dazu, dass der Marktwert von Speisewasser gleich dem von überhitztem Dampf gesetzt

wird. Dies ist weder aus exergetischer noch aus ökonomischer Sicht gerechtfertigt. In der

vorliegenden Arbeit wird daher ein Weg aufgezeigt, wie Erlöse kostenverursachungsgerecht

auf Exergieströme aufgeteilt werden können. Da hierzu zunächst eine konventionelle exer-

goökonomische Kostenanalyse durchzuführen ist und neben den Erlösströmen ebenfalls die

zugehörigen Kostenströme bekannt sind, wird die exergoökonomische Deckungsbeitragsan-

layse eingeführt. Dabei ergibt sich ein Deckungsbeitragsstrom aus der Differenz zwischen

einem Erlösstrom und dem zugehörigen Kostenstrom. Mit Hilfe einer grafischen Darstellung

der unterschiedlich bewerteten Stromflüsse in Form von Fließbildern, können somit wett-

bewerbsvorteilhafte Effizienzmaßnahmen abgeleitet werden, die nicht nur vom Anwender

der Methodik und fachkundigen Ingenieuren sondern für sämtliche Personen anschaulich

nachvollziehbar sind, die im Entscheidungsprozess über Verbesserungsmaßnahmen sowie

deren Umsetzung beteiligt sind. Dies ist die erste Arbeit in der eine exergoökonomische

Erlösanalyse mit kostenverursachungsgerechter Erlösaufteilung präsentiert wird. Darüber

hinaus ist dies die erste Arbeit in der die exergoökonomische Deckungsbeitragsanlayse

eingeführt wird.

3.2 Exergie

Die Exergie eines Systems ist die maximale theoretische Nutzarbeit, die erhalten werden

kann, wenn das System in das vollständige thermische, mechanische und chemische Gleich-

gewicht mit der thermodynamischen Umgebung gebracht wird und es dabei nur Wechselwir-

kungen mit dieser Umgebung gibt [96]. Dabei werden in dieser Arbeit für die Umgebung eine

Temperatur von 25 °C und ein Druck von 1,01325 bar definiert. Die chemische Umgebungsde-

finition erfolgt mit Hilfe von Referenzsubstanzen nach Szargut [94]. Als Exergievernichtungs-

strom.

E D wird der Anteil bezeichnet, der auf Irreversibilitäten bzw. auf Entropieerzeugung

zurück zu führen ist. Als Exergieverluststrom.

E L ist der Exergiestrom zu verstehen, der un-

genutzt an die Umgebung in Form von Energie- oder Stofftransport abgegeben wird. Die

Exergie eines Systems setzt sich aus physikalischen, chemischen, kinetischen sowie potentiel-

len Anteilen zusammen. In einigen Systemen können elektromagnetische Strahlung sowie

14

3.3 Exergieanalyse

radioaktiver Zerfall hinzugezählt werden. Zweckmäßigerweise werden für energietechni-

sche Umwandlungsprozesse im industriellen Maßstab lediglich die physikalische E PH und

chemische Exergie E CH zur Berechnung der Exergie des Systems Esys berücksichtigt.

Esys = E PH +E CH = n · (ePH + eCH)(3.1)

Die molar spezifische physikalische Exergie ePH eines Stoffes lässt sich mit Hilfe der En-

thalpiedifferenz h − h0, der Umgebungstemperatur T0 sowie der Entropiedifferenz s − s0

berechnen.

ePH = (h − h0)−T0 · (s − s0) (3.2)

Die molar spezifische chemische Exergie eCH eines Stoffgemisches ergibt sich unter Berück-

sichtigung der Molanteile xi, der molarspezifischen chemischen Exergie eCHi , der idealen

Gaskonstante R sowie der Umgebungstemperatur T0 wie folgt.

eCH =∑i

xi · eCHi + R ·T0 ·

∑i

xi · ln(xi) (3.3)

3.3 Exergieanalyse

Mit Hilfe einer Exergieanalyse kann ein detailliertes Verständnis über die realen thermody-

namisch verursachten Ineffizienzen einer komplexen Energie- und Stoffumwandlungsanla-

ge erlangt werden. Gegenüber einer energetischen Betrachtung eines Systems wird unter

Berücksichtigung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik die Qualität sämtlicher

Energieströme bewertet. Somit können solche Irreversibilitäten innerhalb eines Systems

identifiziert und quantifiziert werden, welche eine energetische Betrachtung nicht aufdecken

kann. Aus diversen Veröffentlichungen wird ersichtlich, dass es mit Hilfe der Exergieanaly-

se möglich ist, Ineffizienzen in Mehrkomponentensystemen auf der Komponentenebene

von Anlagen zu analysieren [98, 90, 89, 88, 50, 84]. Ursachen für Irreversibilitäten können

dabei chemische Reaktionen, Wärmeübertragung bei endlicher Temperaturdifferenz, Flu-

idreibung bzw. Drosselung von Strömen sowie Mischung von Strömen unterschiedlicher

15


Zusammensetzung sein. Die Exergievernichtung.

E D,k einer Komponente4 k kann mit Hilfe

einer Exergiebilanz berechnet werden:

.E D,k=

n∑i=1

.E i,k −

m∑j=1

.E j,k +

o∑q=1

.E q,k+

.W (3.4)

Hierin sind.

E i,k Exergieströme eintretender und.

E j,k Exergieströme austretender Stoffstrome..

E q,k beschreibt die Exergieströme, welche mit der Wärme über die Systemgrenze der Kompo-

nente k transportiert werden und.

W ist die zugeführte Leistung in Form von reiner Exergie

wie Wellenleistung oder elektrische Leistung. Es besteht folgender Zusammenhang zwischen

der Exergievernichtung, der Entropieerzeugung.Sgen,k sowie der Umgebungstemperatur:

.E D,k= T0·

.Sgen,k (3.5)

Der Exergiestrom, welcher mit einem Wärmestrom über eine Systemgrenze b an die Umge-

bung transportiert wird, lässt sich mit Hilfe des Carnotfaktors wie folgt berechnen:

.E q,b=

(1− T0

Tb

)·

.Qb (3.6)

Unter der Annahme, dass die Systemgrenze einer Stoff- und Energieumwandlungsanlage in

so weitem Abstand zur Produktionsanlage liegt, dass die Temperatur an der Systemgrenze

gleich der Umgebungstemperatur ist, folgt, dass der mit dem Wärmestrom an die Umgebung

transportierte Exergiestrom gleich Null ist. Die Ineffizienzen, die sich aus dem Wärmever-

lust an die Umgebung ergeben, werden somit der Exergievernichtung der Komponenten

zugeordnet (siehe Gleichung (3.4)).

Die Effizienz einer Komponente ergibt sich allgemein aus dem Verhältnis eines Nutzens zu

einem Aufwand. Die Definition des exergetischen Nutzens.

E P,k und exergetischen Aufwands.

E F,k erfolgt wie in der Veröffentlichung zum SPECO-Verfahren [68] vorgeschlagen. Die Exer-

gieeffizienz εk der Komponente k ergibt sich aus dem Verhältnis vom exergetischen Nutzen

zum exergetischen Aufwand.

εk =.

E P,k.

E F,k

= 1−.

E D,k.

E F,k

(3.7)

4Der Begriff Komponente wird in dieser Arbeit ebenfalls dann verwendet, wenn es sich eigentlich um ei-ne Komponentengruppe handelt, da sich die Methodik sowohl auf einzelne Komponenten als auch aufGruppen von Komponenten anwenden lässt.

16

3.4 Exergoökonomische Analyse

Mit dieser Kennzahl wird die wahre thermodynamische Performance einer Komponen-

te bestimmt [97]. Für ein Gesamtsystem wird die Exergieeffizienz aus dem exergetischen

Gesamtnutzen sowie dem gesamten exergetischen Aufwand ermittelt.

yD,k =.

E D,k.

E F,tot

(3.8)

Der Exergievernichtungsquotient yD,k wird eingeführt, um den Anteil der Exergievernich-

tung einer Komponente am insgesamt eingesetzten exergetischen Aufwand bestimmen zu

können.

Der Exergieverlustquotient setzt den Exergieverlust der Gesamtanlage ins Verhältnis zum

exergetischen Aufwand.

yL,tot =.

E L,tot.

E F,tot

(3.9)


3.4.1 Begriffsklärung

In dieser Arbeit werden Begriffe verwendet, die den Wirtschaftswissenschaften entnommen

sind. Da im Folgenden die ingenieurswissenschaftliche Exergieanalyse mit einer ökonomi-

schen Analyse verknüpft wird, erfolgt in Anlehnung an [96, 21]5 zunächst eine Begriffsklä-

rung.

• Produkte sind die Ergebnisse einer Produktion [6]. In dieser Arbeit wird zwischen

den Produkten Specialty Carbon Black, Rubber Carbon Black, Elektrizität und Wärme

unterschieden. Das exergetische Gesamtprodukt ist die Summe der Exergieströme

dieser Produkte. Das englische Wort product wird mit dem Index P abgekürzt und

dient der Beschreibung des exergetischen Nutzens.

• Produktionsfaktoren sind Güter und Leistungen, die zur Herstellung von Produkten

benötigt werden [7].

5Sofern keine anderen Quellen angegeben sind.

17


• Der Wert eines Gutes oder einer Leistung ist eine Rechengröße, mit der das Tauschver-

hältnis mit anderen Gütern und Leistungen quantifiziert wird [8]. Neben der Bewer-

tung von Material- und Energieströmen in Form von Exergie, werden in dieser Arbeit

ebenfalls Kosten, Erlöse, Deckungsbeiträge sowie Umwelteinflüsse zur Bewertung

herangezogen. Wird der Wertbegriff ohne weitere Hinweise verwendet, so bezieht

sich dieser stets auf die Bewertungsgröße, die in dem jeweiligen Abschnitt der Arbeit

thematisiert wird.

• Preise sind monetär bewertete Geldeinheiten pro Mengeneinheit gehandelter Güter

[9].

• Kosten stellen Ausgaben für ein Unternehmen dar und sind monetär bewertete Men-

gen von Produktionsfaktoren, die zur Erstellung der Produkte benötigt werden [10].

Es wird zwischen variablen Umsatzkosten für eingesetzte Rohstoffe sowie kompo-

nentenbezogenen Fixkosten unterschieden. Die exergiespezifischen Kosten eines

Exergiestroms beschreiben dessen monetären Wert, wenn hierzu die Kosten von Pro-

duktionsfaktoren zur Wertbestimmung herangezogen werden. So lässt sich für jeden

Exergiestrom die Höhe der Kosten ermitteln, die dazu nötig sind, den jeweiligen Strom

herzustellen.

• Erlöse sind monetäre Einnahmen, die einem Unternehmen aus dem Absatz von Pro-

dukten zufließen. Erlöse können damit als Gegenbegriff zu Kosten verstanden werden

[11]. Exergiespezifische Erlöse beschreiben den monetären Wert eines Exergiestroms,

bei dem die Erlöse aus dem Absatz von Produkten sowie die Fixkosten, welche diesen

Produkten verursachungsgerecht zugeordnet werden können, zur Wertbestimmung

herangezogen werden. Sie können somit als der Preis verstanden werden, der von

einem Abnehmer mindestens zu zahlen ist, damit der Verkauf eines Zwischenprodukts

bereits an der betrachteten Stelle des Prozesses ökonomisch vorteilhaft ist, gegenüber

der weiteren Umwandlung des Exergiestroms bis zum fertigen Endprodukt in der

vorliegenden Anlage.

• Der Deckungsbeitrag beschreibt einen finanziellen Beitrag zur Deckung von Fixkos-

ten. In Anlehnung an die mehrstufige Deckungsbeitragsrechnung beziehungsweise

die stufenweise Fixkostendeckungsrechnung wird in dieser Arbeit zwischen einem

Deckungsbeitrag 1 und Deckungsbeitrag 2 unterschieden [12, 13, 14]. Der Deckungs-

beitrag 1 ergibt sich aus der Differenz zwischen den Erlösen und den variablen Kosten.

18


Zur Berechnung des Deckungsbeitrags 2 werden zusätzlich die Fixkosten, die dem Pro-

dukt verursachungsgerecht zugeordnet werden können, vom Erlös abgezogen. Weitere

Deckungsbeiträge und Gewinne werden in dieser Arbeit nicht untersucht. Für deren

Ermittlung müssten solche Kosten hinzugerechnet werden, die nicht verursachungs-

gerecht6 den Produkten zugeordnet werden können.

Die konventionelle exergoökonomische Analyse wird eingesetzt, um die Produktgestehungs-

kosten für Anlagenentwürfe zu ermitteln [41]. Diese Gestehungskosten ergeben sich dabei

aus einer Berechnung der gesamten erforderlichen Einnahmen, die am Markt zu erzielen

sind, um die Produkte mit den zu deckenden Gesamtkosten und einer vorgegebenen Gewinn-

marge herzustellen. Gemäß dem ökonomischen Minimalprinzip dient diese Vorgehensweise

dazu, einen vorgegebenen Produktstrom mit geringstmöglichem Mitteleinsatz zu erzielen

[15]. Um die betriebswirtschaftlichen Zusammenhänge innerhalb der realen Kuppelpro-

duktionsanlage ganzheitlich zu erfassen, wird neben dem Minimalprinzip ebenfalls das

Maximalprinzip beachtet. Dieses Prinzip fordert, dass für einen vorgegebenen Mitteleinsatz

ein größtmöglicher Erfolg zu erzielen ist [15]. In dieser Arbeit wird die exergoökonomische

Analyse daher für den vorliegenden Prozess angepasst. Eine Besonderheit ist dabei, dass die

untersuchte Anlage bereits existiert und die exergiebasierten Methoden dem übergeordneten

Ziel dienen, betriebswirtschaftlich motiviert Verbesserungspotentiale für die Bestandsanlage

zu identifizieren. Des Weiteren kann zwischen den vier parallel erzeugten Produkten Special-

ty Carbon Black, Rubber Carbon Black, Elektrizität und Fernwärme unterschieden werden.

Während des Anlagenbetriebs handelt es sich um eine weitestgehend starre Kuppelproduk-

tion. Werden jedoch Umbauten vorgenommen, lässt sich die Produktion möglicherweise

flexibilisieren und eine lenkbarere Kuppelproduktion herstellen.

Die Marktpreisverhältnisse der eingesetzten und produzierten Güter lassen sich nicht aus der

Analyse von Gestehungskosten ableiten. Der Autor dieser Arbeit geht davon aus, dass Preise

an freien Märkten grundsätzlich um einen zeitlich variablen Wert eines zugrundeliegenden

Handelsguts herum oszillieren, indem sie sich abwechselnd von diesem Wert entfernen und

auf ihn zu bewegen. Ursächlich für die Feststellung eines Gleichgewichtspreises an Börsen-

plätzen ist das Zusammenspiel aus Angebot und Nachfrage [56, 91]. Sowohl Angebot als auch

6Zu solchen Fixkosten, die in der untersuchten Anlage nicht verursachungsgerecht zugeordnet werdenkönnen, zählen beispielsweise Kosten zur Restrukturierung des Unternehmens oder konzernstrategischeBeratungshonorare [34].

19


Nachfrage von Handelsgütern können durch naheliegende Gründe7 wie Herstellungskosten,

gewünschte Gewinne, die Wettbewerbssituation gegenüber Mitbewerbern, gesetzliche Vor-

schriften und Subventionen beeinflusst werden. Aber auch weniger zuverlässige Faktoren

können das Angebot und die Nachfrage beeinflussen. Hierzu können Währungsschwankun-

gen und die erwartete Entwicklung des Zinszyklus durch die Geldpolitik von Notenbanken

genannt werden. Unerwartete Preisänderungen anderer Handelsgüter können Lieferanten

oder Abnehmer sogar dazu zwingen, ein Handelsgut zu vermeintlich irrationalen Preisen

auszutauschen.

Wenn mehrere Handelsgüter auf vielen Anwendungsgebieten kurz- und langfristig als Substi-

tute füreinander genutzt werden können, ist eine stärkere Preiskorrelation zwischen diesen

Handelsgütern zu erwarten, als wenn eine Substitution nicht möglich ist. Auch ist eine erhöh-

te Preiskorrelation zwischen Handelsgütern zu erwarten, wenn eines der Handelsgüter ein

bedeutender Produktionsfaktor des anderen Handelsgutes darstellt. Allerdings verfügt jedes

Handelsgut an den Börsen über ein individuelles Maklerbuch, in dem ausschließlich die

Kauf- und Verkaufsaufträge dieses Handelsguts aufgelistet sind. Demzufolge können Aussa-

gen über möglicherweise temporär korrekte kausale Zusammenhänge zwischen den Preisen

verschiedener Handelsgüter, wenn überhaupt, nur so lange für Abschätzungen zukünfti-

ger Preisverhältnisse einer Anlage genutzt werden, wie diese kausalen Zusammenhänge

auch real existieren. Dabei ist zu berücksichtigen, dass statistische Korrelationen zwischen

mehreren Preisen nicht hinreichend sind, um Kausalitäten zu beweisen. Die zeitliche Varia-

tion der Preisverhältnisse ist ein weiterer Grund dafür, die exergoökonomische Analyse mit

den Bewertungsgrößen Erlöse und Deckungsbeiträge zu erweitern. So angepasst, kann die

exergoökonomische Analyse fortwährend für die Identifizierung von effizienzsteigernden

Maßnahmen in bestehenden Anlagen der Kuppelproduktion eingesetzt werden, wodurch

eine flexible Reaktion auf variable Preisverhältnisse möglich ist.

Üblicherweise werden Erlöse durch den Verkauf von Nebenprodukten auf die Gestehungs-

kosten des Hauptprodukts einer chemischen Anlage umgelegt [95]. Dieses Verfahren der

Kostenzuteilung kann als Restwertmethode bezeichnet werden. Dabei wird zwischen Haupt-

und Nebenprodukten unterschieden und angenommen, dass die Nebenprodukte einer star-

ren Kuppelproduktion keinen positiven Deckungsbeitrag aufweisen. Die wahrscheinlichen

Verluste aus der Herstellung von Nebenprodukten sind somit als zusätzliche Kosten für die

7 Die nachfolgenden Aufzählungen von Gründen und Einflussfaktoren auf Angebot und Nachfrage kannnicht den Anspruch auf Vollständigkeit haben, da nicht alle Marktteilnehmer nach ihren bewussten undunbewussten Entscheidungen befragt werden können.

20


Produktion des Hauptprodukts zu betrachten [77]. Durch eine solche Zuteilung kann jedoch

keine Transparenz der Erlös- oder Deckungsbeitragsströme auf der Komponentenebene er-

zielt werden [52]. Mit der exergoökonomischen Analyse lässt sich hingegen eine ganzheitlich

ökonomische Transparenz von Material- und Energieströmen auf der Komponentenebene

ermöglichen. Diese Transparenz kann unterstützend eingesetzt werden, um Verbesserungs-

maßnahmen in realen Anlagen der Kuppelproduktion zu identifizieren. Exergieströme, die

geringe spezifische Erlöse und negative Deckungsbeiträge erzielen, können im Prozess idea-

ler Weise so umgeleitet werden, dass sie sich an der Wertschöpfung höherwertiger Produkte

beteiligen.

3.4.2 Analyse der Kostenströme

Die exergoökonomische Analyse verbindet die Exergieanalyse mit ökonomischen Prinzi-

pien [41]. Es ergeben sich zusätzliche Informationen gegenüber separat durchgeführten

exergetischen und ökonomischen Analysen. Sie hilft zu verstehen, wo und wodurch Kosten

innerhalb einer komplexen Energieumwandlungsanlage entstehen und wie Kostenströme

in einer Anlage aufgeteilt werden können. Des Weiteren ist die Analyse der Kostenströme

hilfreich, um die Kostengestehung unterschiedlicher Anlagendesigns zu vergleichen. Sie

kann dazu herangezogen werden, die gesamten Produktgestehungskosten eines Prozesses zu

minimieren. Für eine Kuppelproduktion, bei der mehrere Produkte parallel erzeugt werden,

sind die Gestehungskosten somit für jedes Produkt separat quantifizierbar. Der Kostenstrom.

C i ergibt sich aus einer Multiplikation des Exergiestroms.

E i mit dessen exergiespezifischen

Kosten ci.

.C i=

.E i ·ci (3.10)

Die Kostenströme, welche in ein System eintreten, sind üblicherweise aufgrund der Markt-

preise von Rohstoffen beziehungsweise der Rechnungen von Lieferanten bekannt. Die Fix-

kosten von Anlagekomponenten ergeben sich aus den Kosten für Investition, Betrieb und

Wartung. Die übrigen Kostenströme lassen sich aus Kostenbilanzen ermitteln. Für eine Kom-

21


ponente k mit n Eingangs- und m Ausgangsströmen kann folgende Kostenbilanz aufgestellt

werden:

n∑i=1

.C i,k −

m∑j=1

.C j,k +

.Z k = 0 (3.11)

Der Term.

Z k steht dabei für die nivellierten Komponentenkosten, die durch Investition,

Betrieb und Wartung der Komponente k entstehen. Ist die Anzahl unbekannter austretender

Kostenströme einer Komponente größer als Eins, so ist die Gleichung 3.11 nicht lösbar. Es

sind in solchen Fällen Hilfsbeziehungen nötig, um die Kosten zweckmäßig auf die austreten-

den Ströme aufzuteilen. Dazu werden das P-Prinzip sowie das F-Prinzip herangezogen [68].

Bei dem P-Prinzip wird davon ausgegangen, dass die exergiespezifischen Kosten der Kos-

tenströme, die dem Nutzen einer Komponente zuzuordnen sind, gleich sind. Das F-Prinzip

wird hingegen bei Komponenten angewandt, bei denen die spezifischen Kosten der Ströme

gleichgesetzt werden, die dem Aufwand zuzuordnen sind.

Kennzahlen zur Bewertung von Komponenten Im Folgenden werden Kennzahlen

eingeführt, die dazu dienen, die Performance von Komponenten und die Gesamtanlage mit

Hilfe der Ergebnisse einer exergoökonomischen Kostenanalyse zu bewerten. Die relative

Kostendifferenz rk setzt die spezifische Kostendifferenz zwischen dem exergetischen Nutzen

und dem exergetischen Aufwand ins Verhältnis zu den spezifischen Kosten des exergetischen

Aufwands einer Komponente k. Eine Komponente, die vergleichsweise hohe Werte für rk

aufweist, sollte bei einer iterativen Verbesserung des Anlagendesigns höhere Beachtung

finden, als solche Komponenten mit niedrigen Werten für rk .

rk = cP,k − cF,k

cF,k(3.12)

Die Kennzahl, die den Kostenstrom angibt, welcher in einer Komponente durch Exergie-

vernichtung verursacht wird, ist.

C D. Diese Kennzahl bewertet die thermodynamischen

Ineffizienzen einer Komponente monetär auf Grundlage der Kosten. Sie wird für eine Kom-

ponente k mit einer Multiplikation der spezifischen Kosten des exergetischen Aufwands cF,k

und dem Exergievernichtungsstrom berechnet.

.C D,k= cF,k ·

.E D,k=

( .C F,k.

E F,k

)· .

E D,k (3.13)

22


Der Kostenstrom, der durch Exergievernichtungsströme verschiedener Komponenten k

einer Komponentengruppe j verursacht wird, lässt sich wie folgt bestimmen.

.C D,j=

(∑k

.C F,k∑

k.

E F,k

)·∑

k

.E D,k (3.14)

Die Zunahme exergiespezifischer Kosten in Komponenten wird einerseits durch thermody-

namische Ineffizienzen und andererseits durch Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten

verursacht. Wenn bekannt ist, wodurch die Kostengestehung hauptsächlich verursacht wird,

kann sich der Anwender der Analyse in einem weiteren Schritt Gedanken darüber machen,

ob eine Komponente entweder thermodynamisch verbessert werden soll, und damit höhere

Werte von.

Z k in Kauf zu nehmen sind, oder ob es sinnvoller ist, eine Komponente zu wählen,

die zwar höhere Kosten durch Ineffizienzen.

C D,k aufweist, dafür jedoch günstiger in der

Anschaffung, im Betrieb und der Wartung ist. Die Kennzahl, welche das entsprechende Kos-

tenverhältnis veranschaulicht, ist der exergoökonomische Faktor fk . Dieser gibt den Anteil

der Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten an der Summe.

Z k + .C D,k einer Komponente

an.

fk =.

Z k.

Z k + .C D,k

(3.15)

Kennzahlen zur Bewertung der Gesamtanlage Das Hauptziel einer isoliert durch-

geführten exergoökonomischen Kostenanalyse besteht darin, die Gestehungskosten des

Gesamtprodukts zu minimieren. In dieser Arbeit kommen verschiedene Analysemethoden

zum Einsatz, die sich darin unterscheiden, dass die Material- und Energieströme der Anlage

unterschiedlich bewertet werden. Um verschiedene alternative Produktionsverfahren mit-

einander vergleichen zu können, werden für die Analysemethoden möglichst einheitliche

Kennzahlen zur Performancemessung einer Gesamtanlage eingeführt. Hierzu bieten sich

Effizienzkennzahlen8 statt spezifischer Aufwände an, die stets wie folgt definiert sind:

Effizienz = Nutzen

Aufwand(3.16)

8In Anlehnung an die symbolische Darstellung der Exergieeffizienz wird der griechische Buchstabe ε in dieserArbeit allgemein für Effizienzkennzahlen verwendet.

23


Je größer der Wert einer derart gebildeten Kennzahl ist, desto effizienter ist das entsprechende

Gesamtsystem. Statt einer Minimierung der gesamten Produktgestehungskosten, wird das

Ziel der exergoökonomischen Kostenanalyse in dieser Arbeit somit als Maximierung der

Kosteneffizienz umformuliert.

Für den Nutzen werden dafür der Massenstrom des Hauptprodukts Carbon Black.

mCB,Gesamt

und die Exergie sämtlicher Haupt- und Nebenprodukte.

E P,Gesamt definiert. Um diese Produk-

te herzustellen, entstehen variable Kosten durch den Einsatz von Rohstoffen.

C F,Gesamt sowie

Fixkosten durch die Investition, den Betrieb und die Wartung.

Z Gesamt der Gesamtanlage. Der

Gesamtkostenstrom wird bei beiden Effizienzkennzahlen als Aufwand betrachtet.

εC.

mCB=

.mCB,Gesamt( .

C F,Gesamt +.

Z Gesamt

) (3.17)

εC.

E P=

.E P,Gesamt( .

C F,Gesamt +.

Z Gesamt

) (3.18)

3.4.3 Kostenschätzung von Anlagenkomponenten

Als Grundlage zur Kostenschätzung dienen Literaturangaben aus denen Kostenfunktionen

relevanter Anlagenkomponenten abgeleitet werden können. Die in dieser Arbeit verwen-

deten Kostenfunktionen sind in den Tabellen 1.2 bis 1.5 im Anhang A.1.2 zu sehen. Diese

Kostenfunktionen ermöglichen es, Investitionskosten von Komponenten in Abhängigkeit

simulierter Prozessgrößen wie Wärme- und Massenströme sowie in Abhängigkeit von Zu-

standsgrößen wie Temperaturen und Drücke abzuschätzen. Für die Herleitung der Kosten-

funktionen werden nachfolgend beschriebene Gleichungen und Annahmen angewendet

[41]. Investitionskosten von Komponenten, für die im Anhang dieser Arbeit keine Kostenfunk-

tionen angegeben sind, werden direkt mit den Kostenangaben aus der Literatur berechnet

[69, 100]. Sind Kostendaten einzelner Komponenten aus der Literatur bekannt, die sich

jedoch in ihrer Kapazität von den simulierten Komponenten unterscheiden, werden die

Kosten mit Hilfe eines Skallierungsexponenten a wie folgt abgeschätzt:

CPE,Y =CPE,W ·(

XY

XW

)a

(3.19)

24


Darin beschreibt die Variable CPE,Y die gesuchten Investitionskosten der Komponente, die

sich in ihrer Kapazität XY von der Kapazität XW einer vergleichbaren Komponente unter-

scheidet, deren Investitionskosten CPE,W bekannt sind. Üblicherweise führt die Vergrößerung

einer Komponente ebenfalls zu höheren Kosten. In der Regel ändern sich die Kosten jedoch

nicht proportional zur Größe. Ist keine genauere Information verfügbar, kann ein Skallie-

rungsexponent in Höhe von a = 0,6 angenommen werden [41].

Für einige Komponenten werden in der Literatur Basiskosten CB angegeben. Diese Anga-

ben gelten in der Regel für vergleichsweise geringe Temperaturen, geringe Drücke, einfa-

che Materialien sowie einfache Ausführungsformen. Mit Hilfe von Faktoren(

fT, fp, fm, fd)

9

können die Basiskosten entsprechend der simulierten Zustandsgrößen angepasst werden

[39, 61, 47, 100]. Zusätzlich kann ein Modulfaktor fB M10 verwendet werden, um weitere

Kosteneinflüsse wie das Einbringen und Anschließen einer Komponente zu berücksichtigen.

Die Modulkosten CM lassen sich somit wie folgt berechnen:

CM =CB · fT · fp · fm · fd · fBM (3.20)

Weitere Beschreibungen zur Vorgehensweise der Kostenabschätzung der Gesamtanlage sind

als generelle Annahmen im Anhang A.1.1 dieser Arbeit zusammengefasst.

3.4.4 Analyse der Erlösströme

Der monetäre Wert eines Exergiestroms ergibt sich bei der exergoökonomischen Erlösanalyse

zum einen aus den Erlösen abgesetzter Produktströme. Zum anderen werden für jeden

Strom die Komponentenkosten für Investition, Betrieb und Wartung berücksichtigt, die

aufzuwenden sind, um den betrachteten Exergiestrom mit den vorliegenden Komponenten

in ein verkaufsfähiges Produkt umzuwandeln. Die auf diese Weise monetär bewerteten

Exergieströme werden in dieser Arbeit als Erlösströme bezeichnet.

9Englisch: temperature factor, pressure factor, material factor und design-type factor10Englisch: bare module factor, Faktor zur Berücksichtigung der Modulinstallation

25


Analog zur konventionellen exergoökonomischen Analyse der Kosten wird der Erlösstrom.

R i

eines Stroms i durch Multiplikation des Exergiestroms.

E i mit dem zugehörigen spezifischen

Erlös ri berechnet:

.R i=

.E i ·ri (3.21)

Die Erlöse von Exergieströmen, welche aus der Anlage austreten, ergeben sich aus den

Marktpreisen für die hergestellten Produkte. Alle anderen11 Erlösströme lassen sich mit Hilfe

einer ökonomischen Bilanz um jede Komponente berechnen. Für eine Komponente k mit

n eintretenden und m austretenden Exergieströmen kann diese Bilanz wie folgt aufgestellt

werden:

n∑i=1

.R i,k −

m∑j=1

.R j,k +

.Z k = 0 (3.22)

Hierin steht der Term.

Z k für den Fixkostenstrom einer Komponente, der durch Investition,

Betrieb und Wartung verursacht wird. Ist die Anzahl unbekannter Erlösströme für die eintre-

tenden Exergieströme einer Komponente größer als Eins, so ist die angegebene Gleichung

3.22 nicht lösbar. Es sind in dem Fall Hilfsbeziehungen nötig, um die Erlöse zweckmäßig auf

die eintretenden Exergieströme aufzuteilen. Die Bestimmung der Erlösströme dient in dieser

Arbeit unter anderem dazu, Deckungsbeitragsströme auf der Komponentenebene trans-

parent zu machen. Statt die Regeln zur Kostenaufteilung für die Aufteilung von Erlösen zu

invertieren (siehe [81]) oder anderweitig anzupassen, wird ein Allokationsverfahren gewählt,

bei dem die Erlöse kostenverursachungsgerecht12 aufgeteilt werden. Die Verhältnisse der

spezifischen Erlöse eintretender Exergieströme einer Komponente werden gemäß Gleichung

3.23 den Verhältnissen spezifischer Kosten eintretender Kostenströme gleichgesetzt.

ri,ein∑nj=1 rj,ein

= ci,ein∑nj=1 cj,ein

(3.23)

11Die an die Umgebung abgegebenen Exergieverlustströme können nicht verkauft werden und erzielen keineErlöse.

12 Das Verfahren kann als invertiertes Marktwertverfahren interpretiert werden, welches bei der Kostenzurech-nung für Kuppelproduktionen angewandt werden kann [77].

26


Kennzahlen zur Bewertung von Komponenten Die Kennzahl.

RD,k gibt den Erlös-

strom an, welcher durch Exergievernichtung in einer Komponente k vernichtet wird. Der

Wert ergibt sich aus dem exergiespezifischen Erlös des exergetischen Aufwands13 einer

Komponente und der zugehörigen Exergievernichtung wie folgt:

.RD,k= rF,k ·

.E D,k=

( .RF,k.

E F,k

)· .

E D,k (3.24)

Der Erlösstrom, der durch Exergievernichtungen mehrerer Komponenten k einer Kompo-

nentengruppe j vernichtet wird, lässt sich wie folgt bestimmen:

.RD, j=

(∑k

.RP,k∑

k.

E P,k

)·∑

k

.E D,k (3.25)

Die relative Erlösdifferenz rr,k gibt die Differenz zwischen den spezifischen Erlösen des

exergetischen Produkts und des exergetischen Aufwands, bezogen auf den spezifischen Erlös

des exergetischen Aufwands, an.

rr,k = rP,k − rF,k

rF,k(3.26)

Analog zum exergoökonomischen Faktor fk der exergoökonomischen Kostenanalyse wird

der Faktor fr,k für die exergoökonomische Erlösanalyse eingeführt. Diese Kennzahl setzt

die Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten einer Komponente ins Verhältnis zur Sum-

me dieser Fixkosten sowie den durch Exergievernichtung vernichteten Erlösstrom einer

Komponente.

fr,k =.

Z k.

Z k + .RD,k

(3.27)

13 Der spezifische Erlös des exergetischen Aufwands wird sowohl von dem Produkterlösstrom der Komponenteals auch von den Fixkosten

.Z k derselben Komponente (siehe Gleichung 3.22) beeinflusst. Um ausschließlich

den Einfluss der Exergievernichtung auf die Erlösminderung zu erhalten, kann bei einer separat durchge-führten exergoökonomischen Erlösanalyse die Exergievernichtung mit rP,k multipliziert werden. Dies führtjedoch in der untersuchten Anlage im Bereich der Trommeltrockner zu noch irreführenderen Werten. Dorttreten die höchsten spezifischen Produkterlöse der Anlage auf.Für eine Analyse der Erlösvernichtung durch Exergievernichtung mit rP,k anstatt rF,k , ist das Allokationsver-fahren entsprechend anzupassen (siehe Gleichung 3.23).

27


Kennzahlen zur Bewertung der Gesamtanlage Um die Wirtschaftlichkeit verschie-

dener Szenarien miteinander zu vergleichen, werden zwei Effizienzkennzahlen eingeführt.

Zum einen wird der Erlösstrom des Hauptprodukts Carbon Black ins Verhältnis zu dem Ge-

samtkostenstrom gesetzt. Zum anderen wird der Gesamtprodukterlösstrom auf den gleichen

Gesamtkostenstrom bezogen.

εR.

RCB=

.RCB,Gesamt( .

C F,Gesamt +.

Z Gesamt

) (3.28)

εR.

RP=

.RP,Gesamt( .

C F,Gesamt +.

Z Gesamt

) (3.29)

3.4.5 Analyse der Deckungsbeitragsströme

Im folgenden Abschnitt wird die exergoökonomische Deckungsbeitragsanalyse eingeführt.

Sie ist ein Ergebnis aus dem Vorhaben, die konventionelle exergoökonomische Analyse

der Kostenströme auf ein reales Werk anzuwenden, um daraus Verbesserungsvorschläge

abzuleiten.

Die nachfolgend aufgezeigten Berechnungsvorschriften gelten sowohl für die Ermittlung von

Werten für den Deckungsbeitrag 1 (OI) als auch für den Deckungsbeitrag 2 (OII). Die beiden

Deckungsbeiträge unterscheiden sich darin, dass zur Ermittlung des Deckungsbeitrags 1

lediglich variable Kosten berücksichtigt werden. In die Berechnung des Deckungsbeitrags 2

fließen hingegen sowohl die variablen als auch die fixen Kosten ein. Der Deckungsbeitrags-

strom.

Oi ergibt sich aus der Differenz zwischen dem Erlösstrom i und dem Kostenstrom i.

.Oi=

.R i −

.C i (3.30)

28


Der exergiespezifische Deckungsbeitrag oi eines Exergiestroms lässt sich wie folgt berechnen:

oi =.

Oi.

E i

(3.31)

Kennzahlen zur Bewertung von Komponenten Eine wichtige Kennzahl der exergo-

ökonomischen Kostenanalyse, die bei einer iterativen Entwurfsverbesserung von Anlagen

genutzt werden kann, ist der Kostenstrom, welcher in einer Komponente verursacht durch

Exergievernichtung wird. Dieser kann dabei helfen, zu entscheiden, in welcher Reihenfolge

Komponenten verbessert14 werden sollen. Exergiespezifische Kosten nehmen in einer Anlage

grundsätzlich durch Exergievernichtung sowie durch Komponentenfixkosten stromabwärts

zu. Daraus folgt, dass eine Exergievernichtung stromaufwärts geringwertiger beurteilt wird

als stromabwärts. Auch die Erlösanalyse führt dazu, dass die Wertigkeit der Exergiever-

nichtung von der Position im Prozess abhängig ist. Diese Ortsabhängigkeit des Wertes einer

Exergievernichtung tritt bei der exergoökonomischen Analyse von Deckungsbeiträgen wegen

kostenverursachergerechten Erlösaufteilung nicht auf. Der Wert.

OD,k gibt den Deckungsbei-

trag an, der durch Exergievernichtung in der Komponente k vernichtet wird, und lässt sich

wie folgt ermitteln:

.OD,k= oF,k ·

.E D,k=

( .OF,k

.E F,k

)· .

E D,k=( .

RF,k −.

C F,k.

E F,k

)· .

E D,k (3.32)

Die Deckungsbeiträge, die durch Exergievernichtungen mehrerer Komponenten k einer

Komponentengruppe j vernichtet werden, lassen sich wie folgt bestimmen:

.OD,j=

(∑k

.OF,k∑

k.

E F,k

)·∑

k

.E D,k (3.33)

Die relative Deckungsbeitragsdifferenz ro,k beschreibt die Differenz zwischen dem spezifi-

schen Deckungsbeitrag des exergetischen Produkts einer Komponente k und dem spezifi-

14 Die Prozessverbesserung bezieht sich hier auf die Kosteneffizienz der Produkte. Sie lässt sich durch dieAuswahl von Komponenten dahingehend beeinflussen, dass entweder exergieeffiziente Komponentenausgewählt werden, die zwar hohe Komponentenkosten durch Investition, Betrieb und Wartung aufweisenund geringe variable Kostenströme verursachen, oder aber dass ineffizientere Komponenten ausgewähltwerden, die zwar geringe Fixkosten aber hohe variable Kostenströme verursachen.

29


schen Deckungsbeitrag des exergetischen Aufwands derselben Komponente, bezogen auf

den spezifischen Deckungsbeitrag des exergetischen Aufwands.

ro,k = oP,k −oF,k

oF,k(3.34)

Ein exergoökonomischer Deckungsbeitragsfaktor fo,k wird eingeführt, um die Komponen-

tenfixkosten, die aufgrund von Investition, Betrieb und Wartung entstehen, mit der Summe

des vernichteten Deckungsbeitragsstroms durch Exergievernichtung sowie den Komponen-

tenfixkosten ins Verhältnis zu setzen.

fo,k =.

Z k.

Z k + .OD,k

(3.35)

Um Investitionsalternativen wirtschaftlich miteinander zu vergleichen, werden Projekte

üblicherweise anhand von Kennzahlen bewertet. Je nach Ziel und Risikoaversion eines

Unternehmens kann nach verschiedenen Kennzahlen gesteuert werden. Neben dem Kapital-

wert wird häufig die Amortisationszeit ermittelt, um das zeitliche Risiko einer Investition zu

identifizieren [56, 91]. In Anlehnung an die statische Amortisationszeit wird die Zeit τk auf

Komponentenebene berechnet. Diese Kennzahl sagt aus, wie viel Zeit benötigt wird, um die

Investitionskosten einer Komponente k mit Hilfe der Erhöhung des Deckungsbeitragsstroms

durch dieselbe Komponente decken zu können. Komponenten, deren Deckungsbeitragsdif-

ferenz negativ ist, erzeugen während des Anlagenbetriebs Verlustströme. Die Investitions-,

Betriebs- und Wartungskosten einer solchen Komponente können nicht durch ihre eigene

Deckungsbeitragsdifferenz gedeckt werden. Die Zeit τk kann daher nicht für alle Komponen-

ten sinnvoll definiert werden. Der Betrieb einiger Komponenten muss von wirtschaftlichen

Komponenten beziehungsweise von dem Deckungsbeitragsstrom der Gesamtanlage finan-

ziert werden. τk ergibt sich, indem der Barwert der Investition Z Investk durch das Produkt aus

Deckungsbeitragsdifferenz ro,k und exergetischem Aufwandsstrom.

E F,k der Komponente k

geteilt wird.

τk = Z Investk(

oP,k −oF,k) · .

E F,k

= Z Investk

ro,k ·.

OF,k

(3.36)

30

3.5 Exergoökologische Analyse

Kennzahlen zur Bewertung der Gesamtanlage Zur Bewertung der Wirtschaftlich-

keit werden analog zur Vorgehensweise bei der Kosten- und Erlösanalyse mit Hilfe von

Deckungsbeiträgen Effizienzkennzahlen gebildet. Als Nutzen werden dabei der Deckungs-

beitragsstrom des Carbon Blacks sowie der Deckungsbeitragsstrom des Gesamtprodukts

verwendet. Für die Aufwandsdefinition wird je nachdem, ob Ströme des Deckungsbeitrags 1

oder des Deckungsbeitrags 2 untersucht werden, der variable oder der gesamte Kostenstrom

herangezogen.

εO.

OIC B

=.

OICB,Gesamt.

C F,Gesamt

(3.37)

εO.

OIP

=.

OIP,Gesamt

.C F,Gesamt

(3.38)

εO.

OIICB

=.

OIICB,Gesamt( .

C F,Gesamt +.

Z Gesamt

) (3.39)

εO.

OIIP

=.

OIIP,Gesamt( .

C F,Gesamt +.

Z Gesamt

) (3.40)


Im Gegensatz zur exergoökonomischen Analyse wird bei einer exergoökologischen Analyse

der Wert eines Exergiestroms nicht anhand von Kosten, Erlösen oder Deckungsbeiträgen

gemessen. Stattdessen werden Exergieströme ökologisch bewertet [76]. Dabei wird die Exer-

gieanalyse mit einer Umweltanalyse verknüpft. Der gesamte Lebenszyklus eines Produktes

wird dazu untersucht. Auch die Umwelteinflüsse, die sich aus der Fertigung, dem Betrieb

sowie der Wartung und der Entsorgung von Anlagenkomponenten ergeben, werden dabei

31


berücksichtigt. Der Umwelteinfluss wird in dieser Arbeit anhand des schadenorientierten

Eco-Indikators 9915 (ECO) mit der hierarchischen Perspektive gemessen. Mit Hilfe dieses

Indikators lassen sich unterschiedliche Schadenskategorien wie menschliche Gesundheit,

Ökosystemqualität und Ressourcenbedarf in Form von Indikatorpunkten einheitlich be-

werten. Die absoluten Werte des Indikators sollten dabei nicht für eine Interpretation der

Ergebnisse herangezogen werden. Vielmehr dient der Indikator dazu, eine auf den Um-

welteinfluss basierende Vergleichsgröße einzuführen, mit der die relativen Unterschiede

zwischen unterschiedlichen Szenarien verglichen werden können [58].

Die Umweltbilanz für eine Komponente k lässt sich mit Hilfe der ein- und austretenden

Umwelteinflussströme (.

B i,k und.

B j,k ), dem Umweltbelastungsstrom.

Y k , welcher sich aus

Konstruktion, Betrieb, Wartung und Rückbau einer Komponente ergibt, sowie dem Term.

BPFk

berechnen. Dieser Term steht für den Umwelteinfluss, der durch stoffliche Änderungen16

verursacht wird.

n∑i=1

.B i,k −

m∑j=1

.B j,k+

.Y k + .

BPFk = 0 (3.41)

Ob die Umwelt durch eine chemische Reaktion positiv oder negativ beeinflusst wird, hängt

von der Differenz zwischen der Umweltverträglichkeit der Edukte und Produkte ab.

Kennzahlen zur Bewertung von Komponenten Der durch Ineffizienzen in einer Kom-

ponente hervorgerufene Umwelteinfluss.

B D,k ergibt sich aus dem exergiespezifischen Um-

welteinfluss des exergetischen Aufwands sowie dem Exergievernichtungsstrom einer Kom-

ponente k.

.B D,k= bF,k ·

.E D,k=

( .B F,k.

E F,k

)· .

E D,k (3.42)

15 Die Definition eines ECO99-Punktes lautet wie folgt: "Die Skalierung ist derart gewählt, dass der Wert von 1Punkt repräsentativ ist, für ein Tausendstel der jährlichen Umweltbelastungen eines durchschnittlicheneuropäischen Einwohners."[57].

16 Stoffliche Änderungen können in dem untersuchten Prozess sowohl thermisch als auch chemisch herbeige-führt werden. Da lediglich die Emission von CO2 berücksichtigt wird, für dessen Erzeugung in der Anlagechemische Reaktionen verantwortlich sind, wird im Weiteren angenommen, dass sämtliche relevantenstoffliche Änderungen durch chemische Reaktionen hervorgerufen werden.

32


Der Umwelteinfluss, der durch Exergievernichtungen verschiedener Komponenten k einer

Komponentengruppe j verursacht wird, lässt sich wie folgt bestimmen:

.B D ,j=

(∑k

.B F,k∑

k.

E F,k

)·∑

k

.E D,k (3.43)

Die Kennzahl rb,k gibt die Differenz zwischen den spezifischen Umweltbelastungen des exer-

getischen Produkts und den spezifischen Umweltbelastungen des exergetischen Aufwands,

bezogen auf die spezifischen Umweltbelastungen des exergetischen Aufwands, an.

rb,k = bP,k −bF,k

bF,k(3.44)

Ein hoher Wert für rb,k deutet auf ein größeres ökologisches Verbesserungspotential hin als

ein niedriger Wert.

fb,k ist der exergoökologische Faktor. Dieser misst den Einfluss durch Herstellung, Betrieb,

Wartung und Entsorgung einer Komponente, im Verhältnis zur Summe aller Einflussfaktoren,

die eine Erhöhung der spezifischen Umweltlast in einer Komponente verursachen. Dazu

zählen neben dem Einfluss durch Herstellung, Betrieb, Wartung sowie Entsorgung ebenfalls

die Einflüsse durch Exergievernichtung und durch Stoffumwandlung.

fb,k =.

Y k.

Y k + .B D,k + .

BPFk

(3.45)

Ein vergleichsweise hoher Wert für fb,k deutet darauf hin, dass der ökologische Einfluss durch

Herstellung, Betrieb, Wartung und Entsorgung gegenüber dem Einfluss durch thermodyna-

mische Ineffizienzen und Stoffumwandlung in einer Komponente überwiegt. Diese Kennzahl

kann somit zur iterativen ökologischen Verbesserung von Prozessentwürfen genutzt werden.

Kennzahlen zur Bewertung der Gesamtanlage Um die Umwelteffizienz verschie-

dener Anlagendesigns miteinander vergleichen zu können, werden Effizienzkennzahlen

eingeführt. Als Nutzen werden der Massenstrom von Carbon Black sowie die Exergie sämtli-

cher Produktströme herangezogen. Als ökologischer Aufwand dient die Summe sämtlicher

Umwelteinflüsse zur Herstellung der Produkte.

B P,Gesamt.

.B P,Gesamt=

.B F,Gesamt +

.Y Gesamt +

.B

PFGesamt (3.46)

33


εB.

mCB=

.mCB,Gesamt

.B P,Gesamt

(3.47)

εB.

E P=

.E P,Gesamt.

B P,Gesamt

(3.48)

3.5.1 Abschätzung komponentenbezogener Umweltlasten

Es wird eine Umweltanalyse auf Komponentenebene durchgeführt, um den Umweltein-

fluss zu berücksichtigen, welcher mit dem Bau, Betrieb und der Entsorgung einer Kompo-

nente einhergeht. Im Rahmen der Untersuchungen der Anlage sind dazu Literatur- und

Herstellerangaben ausgewertet und Gewichtsfunktionen in Abhängigkeit von Prozess- und

Zustandsgrößen abgeleitet worden. Aus dem Gewicht einer Komponente, deren materiellen

Zusammensetzung sowie den zugehörigen ökologischen Bewertungsfaktoren der verbauten

Materialien, werden anschließend die Umwelteinflüsse der Komponenten ermittelt. Die

verwendeten Gewichtsfunktionen sowie getroffene Annahmen bezüglich der materiellen

Zusammensetzung unterschiedlicher Komponenten sind in den Tabellen 1.9 - 1.12 des

Anhangs A.2.2 zu finden.

34

4. Modellierung und Annahmen

In diesem Kapitel sind die Modelle und Annahmen beschrieben, die für die Untersuchungen

verwendet werden. Um die reale Anlage zu simulieren, werden Modelle für Prozessschrit-

te und einzelne Komponenten erstellt. Eine Validierung von Parametereinstellungen und

den sich daraus ergebenden Simulationsergebnissen erfolgt für das Bestandsystem auf der

Grundlage von Messdaten sowie auf der Grundlage von Hinweisen der Mitarbeiter des

Anlagenbetreibers.

4.1 Szenarienübersicht

Um den Einfluss von Verbesserungsmaßnahmen auf den Prozess untersuchen zu können,

werden in dieser Arbeit fünf Szenarien analysiert. Die bestehende Anlage wird mit dem Szena-

rio I abgebildet. Neben diesem Bestandssystem werden in dieser Arbeit zunächst drei weitere

Szenarien von Anlagendesigns zur alternativen Kuppelproduktion verschiedener Carbon

Black Sorten, Wärme und Elektrizität untersucht. Bei den drei alternativen Szenarien II bis IV

steht die Frage im Vordergrund, welche Einflüsse die jeweiligen Prozessänderungen auf

die Performance der Anlage, gemessen an den Bewertungskriterien Exergie, Kosten, Erlöse,

Deckungsbeitrag 1, Deckungsbeitrag 2 und Umweltbelastung, haben. Die in der Simulations-

software manuell einzustellenden Parameter (Wirkungsgrade, Druckverluste, Temperaturen,

etc.) werden, sofern möglich, von Komponenten des Szenarios I übernommen. Auch die

Einstellungen der Regelkreise werden, wenn möglich, nicht verändert. Dementsprechend

weichen die Größen einiger Komponenten von den Kapazitäten der Bestandskomponenten

ab. Aus den Ergebnissen der Exergieanalyse sowie der exergoökonomischen Kostenanalyse

und der exergoökologischen Analyse des Bestandssystems wird eine Maßnahme zur Ver-

besserung des bisherigen Hauptquenchprozessschritts abgeleitet. Mit Hilfe des Szenarios II

erfolgt die Analyse eines alternativen Anlagendesigns, welches sich gegenüber dem Bestands-

35

Kapitel 4 Modellierung und Annahmen

system darin unterscheidet, dass ein Teil des bisherigen Quenchwassermassenstroms im

Reaktor substituiert wird. Dazu wird ein Dampferzeuger anstelle des Hauptquenchs einge-

setzt. Dieser stellt überhitzten Dampf für den 90-bar-Dampfkreislauf bereit. Mit Hilfe des

Szenarios III wird die Anlage für den Fall untersucht, dass die Verbrennungsluft durch einige

Luftvorwärmer 1 bis auf eine Temperatur von 900 °C vorgewärmt wird. Eine Anhebung der

Verbrennungslufttemperatur führt bei gleichem Brennstoffeinsatz zu einer höheren Rauchga-

stemperatur am Austritt der Vorbrennkammer. Je höher die Temperatur in der Reaktionszone

ist, desto höher sind Verdampfungs- und Pyrolysegeschwindigkeit des Feedstock-Öls. Es

bildet sich eine höhere Anzahl von Primärpartikeln mit einer geringeren durchschnittlichen

Primärpartikelgröße und die Ausbeute der eingesetzten Rohstoffe wird erhöht [49]. Die Pro-

duktqualität wird verbessert und der Durchsatz wird gesteigert. Das Szenario IV beschreibt

eine Kombination aus den Prozessänderungen, die in den Szenarien II und III separat unter-

sucht werden. Es werden sowohl Hauptquenchzonen durch Dampferzeuger substituiert, als

auch einige bestverfügbare Luftvorwärmer 1 eingesetzt.

Aus den Ergebnissen der Analysen der Szenarien I bis IV wird eine Umbaumaßnahme für

die Bestandsanlage abgeleitet. Da die Deckungsbeitragsströme im Bereich der KWK-Anlage

negativ sind, wird nach einer Möglichkeit gesucht, entsprechende Exergieströme an solche

Komponenten im Prozess umzuleiten, in denen sie einen höheren Beitrag zur Wertschöp-

fung leisten können. Ein Ergebnis der Untersuchung des Szenarios III ist, dass der erzeugte

elektrische Strom zum Reaktor in den Prozess zurückgeführt werden soll, um das Haupt-

produkt effizienter herzustellen, anstatt diesen Strom an der Börse zu vermarkten. Diese

Maßnahme wird im Szenario V diskutiert. Dabei wird angenommen, dass die bestehenden

Anlagenkomponenten weiterhin genutzt werden können und lediglich Fixkosten, die sich

aus dem Umbau der Reaktoren ergeben, zu berücksichtigen sind.

4.2 Allgemeine Hinweise und Annahmen

Die Anlagenteile eines Standorts, die im direkten Zusammenhang zum Furnacerußverfahren

stehen, sind in der frei verfügbaren Software COFE 2.7 als Fließbildsimulation abgebildet

[1, 40]. Die Software löst Massen-, Stoff- und Energiebilanzen. Dazu können mitgelieferte

Standardkomponenten genutzt werden. Komponenten wie die Reaktionszonen, logische

Abfragen, sowie Komponenten für die Nutzung von Regelkreisen werden hingegen mit Hilfe

von Matlab programmiert und in die Fließbildumgebung eingebunden [19]. Die in den

36


simulierten Komponenten eingestellten Parameter beruhen entweder auf ingenieurtechni-

schen Annahmen oder auf Messwerten. Wirkungsgrade von Strömungsmaschinen werden

zunächst mit Ingenieurverständnis angenommen und anschließend angepasst, sodass die

Abweichungen simulierter Werte gegenüber den Messwerten möglichst gering sind. Einzelne

Prozessabschnitte sind gemeinsam mit den Mitarbeitern des Anlagenbetreibers validiert

worden. Stoffwerte werden, wenn möglich, von der Datenbank übernommen, welche mit

der Simulationssoftware mitgeliefert wird. Für einige Berechnungen in Reaktoren sind diese

Stoffwerte nicht ausreichend. Die Stoffwerte einiger Stoffe, die an Verbrennungsreaktionen

teilnehmen, weisen einen zu geringen Temperaturbereich auf, sodass die Software Warn-

hinweise ausgibt. Daher werden solche Stoffwerte durch Stoffwertpolynome ersetzt, deren

Anwendung bis zu einer Temperatur von 6.000 K zulässig ist [59]. Dazu werden Parameter

ermittelt, bei denen die Polynome in der Softwaredatenbank geringe Fehler gegenüber den

Polynomen aus der Quelle aufweisen. Dies erfolgt unter Minimierung der Summe kleins-

ter Fehlerquadrate in Matlab. Sowohl für Öl als auch für Carbon Black existieren keine

Stoffwertpolynome in der Softwaredatenbank. Daher werden die Stoffdaten mit Hilfe von

Gruppenbeitragsmethoden abgeschätzt. Für die thermodynamische Umgebung werden eine

Temperatur in Höhe von T0 = 25 °C und als Umgebungsdruck p0 = 1,01325 bar angenommen.

Die Angaben über chemische Exergien verwendeter Stoffe werden, ohne Anpassungen vorzu-

nehmen, von Szargut übernommen [93]. Die molare Zusammensetzung der Umgebungsluft

wird wie folgt angenommen: N2: 78 %; O2: 21,066 %; Ar: 0,934 %. Für das eingesetzte Erdgas

gilt folgende molare Zusammensetzung: CO2:0,9 %; CH4: 96 %; N2: 1,4 %; C2H6: 1,7 %.

Carbon Black Erzeugung Die Verdichter an den Luftvorwärmern 1 werden einheitlich

mit einem isentropen Wirkungsgrad in Höhe von 55 % simuliert. Für die Luftvorwärmer 1

werden die heißluftseitigen Temperaturen zu 516 °C bis 750 °C sowie ein beidseitiger Druck-

verlust in Höhe von 0,04 bar angenommen. Um das Feedstock-Öl pumpfähig zu halten,

wird die Viskosität durch Erwärmen des Öls reduziert. Die Öltemperatur am Eintritt in die

Öl-Pumpen beträgt daher 70 °C, wobei die Pumpen mit einem Gesamtwirkungsgrad17 in

Höhe von 75 % abgebildet werden. Anschließend wird das Öl auf 180 °C vorgewärmt. Hierfür

wird dem Heißluftnetz so viel Luft auf einem Temperaturniveau zwischen 260 °C und 350 °C

17Der Gesamtwirkungsgrad ergibt sich für Pumpen aus der hydraulischen Leistung als Nutzen und der elektri-schen Leistung als Aufwand.

37


entnommen, dass diese am Austritt des Ölvorwärmers eine Temperatur in Höhe von 150 °C

aufweist.

Reaktormodell Die Reaktoröfen stellen sich in einer vorangegangenen Untersuchung

als die wichtigsten Komponenten der Anlage heraus [73]. In ihnen wird das Hauptprodukt

gebildet. Um die Auswirkungen von Maßnahmen in den Reaktoren möglichst realistisch

abzubilden, werden daher Modelle benötigt, deren Ergebnisse geringe Abweichungen ge-

genüber den realen Anlagen aufweisen. In den Vorbrennkammern werden der Stoffstrom,

welcher Sauerstoff als Oxidator für die Reaktion mit sich führt, sowie der Stoffstrom, wel-

cher den Kohlenwasserstoff transportiert, gemischt. Für die Simulation der Verbrennung

werden zwei Reaktorkomponenten verwendet. Zum einen dient eine erste isenthalpe Re-

aktorkomponente dazu, eine vollständige Umsetzung des Brennstoffs zu simulieren. Es

folgt ein zweiter isenthalper Reaktor, welcher eine Gleichgewichtsreaktion simuliert. Dessen

Ergebnisse dienen dem Modell der nachgeschalteten Reaktionszone als Eingangsgröße.

Im Rahmen der Untersuchungen der Anlage sind verschiedene Modelle zur Simulation der

Reaktionszonen entwickelt worden. Zunächst wurde ein algebraisches Modell aufgebaut.

Dieses benötigt zwar eine kurze Rechenzeit, dafür sind die Ergebnisse dieses Modells jedoch

unzureichend genau. Ein auf Differentialgleichungen (DGL) basierendes Modell des Anlagen-

betreibers liefert hingegen Ergebnisse, welche die realen Zusammenhänge vergleichsweise

präzise wiedergeben. Es beruht auf den allgemeinen Bilanzgleichungen für Energie, Stoff

und Impuls. Neben der Zusammensetzung des Restgas-CB-Gemisches und der Temperatur,

liefert es Ergebnisse über Produktspezifikationen wie die spezifische Oberfläche des Pro-

dukts. Der Einbau dieses Modells in die Fließbildsimulation der gesamten Anlage ist jedoch

aufgrund der benötigten Rechenzeit nicht zweckmäßig, daher ist für diese Arbeit ein Modell

auf der Grundlage neuronaler Netze entwickelt worden. Als Trainingsdaten dienen die si-

mulierten Werte, welche mit Hilfe des DGL-basierten Reaktormodells erstellt wurden. Eine

Anwendung dieser neuronalen Netze ist für die Simulation der Szenarien in dieser Arbeit

jedoch nicht möglich, da die Anzahl der verfügbaren Trainingsdaten18 nicht ausreichend ist,

um zuverlässige Modelle zu erhalten. So haben Exergieanalysen von simulierten Anlagen,

bei denen die neuronalen Netze verwendet werden, ergeben, dass diese Modelle, mit nur

geringfügig abweichenden Eingangsdaten gegenüber den Trainingsdaten, unphysikalische

18Es stehen zum Zeitpunkt der Bearbeitung 12 Datenpunkte im selben Format zur Verfügung, wobei maximalzwei Datenpunkte je Reaktor vorliegen.

38


Ergebnisse liefern. Zukünftig können die entwickelten neuronalen Netze mit den Messwer-

ten der realen Anlage verknüpft werden, sodass sie anhand zusätzlicher Datenpunkte für

jeden Reaktor einzeln zuverlässige Vorhersagen über dessen Verhalten liefern zu können. Da

sämtliche Analysen, die auf Berechnungen mit neuronalen Netzen basieren, verworfen wer-

den, basieren die Untersuchungen in dieser Arbeit auf den Ergebnissen des DGL-basierten

Reaktormodells.

Einige der Reaktoröfen werden mit einem sogenannten Vorquench simuliert. Der übliche

Quenchtemperaturbereich wird in der Literatur mit 900 bis 1.200 °C angegeben [49]. Mit den

Reglerkomponenten der Software ist es nicht möglich, eine Soll-Temperatur vorzugeben

und einen Regelkreis entsprechend dieser Regelgröße direkt zu regeln. Die betreffenden

Regelkreise werden daher um Matlabkomponenten erweitert. Über eine Programmschnitt-

stelle greift der Matlabcode auf die Stoffdatenbank der Simulationssoftware zu. Es wird die

Enthalpie des zu regelnden Stoffstroms bei der Soll-Temperatur ausgelesen. Diese Enthalpie

wird dem Reglerbaustein in der Fließbildumgebung anschließend als Sollwert übergeben.

Somit lassen sich alle Temperaturregelungen als Enthalpieregelungen umformulieren.

Die als Hauptquench bezeichnete Wasserzugabe sorgt in allen Reaktoröfen dafür, dass

die Austrittstemperatur des Restgas-CB-Gemisches keine Schäden an den nachfolgenden

Luftvorwärmern 1 verursachen kann. Die Austrittstemperaturen liegen zwischen ca. 720

bis 890 °C. Für die Simulation der Prozessentwürfe in den Szenarien I bis IV wird an den

Wärmeübertragern der CB-Erzeugungseinheiten sowie der CB-Nachbehandlung eine der

Austrittstemperaturen vorgegeben. Bei der Simulation des Szenarios V wird hingegen an-

genommen, dass bereits existierende Komponenten der bestehenden Anlage nach dem

Umbau weiterhin genutzt werden können. Dazu werden in erster Näherung für die Berech-

nung der Wärmeübertrager die gleichen Werte für das Produkt aus Wärmeübertragerfläche

und Wärmedurchgangskoeffizient (U · A = konst.) angenommen, die in der bestehenden

Anlage beobachtet werden. Des Weiteren wird der Luftmassenstrom für die Versorgung der

Luftvorwärmer 2 in diesem Szenario V aus dem Szenario I entnommen.

Um die Temperaturbelastung an den Luftvorwärmern 2 gering zu halten, wird die Eintritts-

temperatur mit Hilfe von Wasserzugabe auf Werte zwischen 516 °C bis 601 °C begrenzt. Die

Austrittstemperaturen der Heißluftströme sind realen Messdaten entnommen. Die Verdich-

ter an den Luftvorwärmern 2 werden mit isentropen Wirkungsgraden zwischen 70 % und

94 % simuliert. Zur Regelung der Austrittstemperatur der Heißluft dient der Volumenstrom

der angesaugten Luft als Stellgröße. Für die Filter werden die vorgeschalteten Komponenten-

gruppen für die Wasserzugabe so eingestellt, dass die Temperatur des Restgas-CB-Gemisches

39


am Eintritt der Filter Werte annehmen, die im Bereich der maximal zulässigen Filtertempe-

raturen liegen (ca. 260 °C bis 280 °C [49]).

CB-Nachbehandlung Für die Abbildung des pneumatischen Transports werden Luft-

massenströme zwischen 0,67 kgs und 0,7 kg

s simuliert. Da keine genaueren Daten über die

zugehörigen Gebläse vorliegen, werden deren isentroper Wirkungsgrad einheitlich mit 90 %

sowie die Druckerhöhung mit 1 bar konservativ abgeschätzt. In den Perlmaschinen wird

Carbon Black mit Wasser gemischt. Die entstehenden Agglomerate weisen je nach Produkt-

spezifikation massenspezifische Wasseranteile zwischen 32,5 % und 57,5 % auf. Die Antriebs-

leistung wird zu 5 kW abgeschätzt. Die Brenner für den anschließenden Trocknungsvorgang

werden zum einen mit Umgebungsluft versorgt. Der zugehörige Volumenstrom ergibt sich

aus Messwerten. Des Weiteren wird für die Verbrennung Heißluft zugeführt. Diese dient in

der Simulation als Stellgröße, um den Sauerstoffanteil im Abgas zu regeln. Dabei sind Molan-

teile von 5 % bis 5,4 % einzuhalten. Eine Regelung der Abgastemperatur nach der Trocknung

erfolgt mit der Restgaszufuhr als Stellgröße, sodass gemessene Schornsteintemperaturen

ebenfalls in der Simulation auftreten. Der Heißluftmolenstrom, welcher das Carbon Black im

Trockner umströmt, beträgt ca. 52 % vom Molenstrom des feuchten Carbon Black. Das ge-

trocknete Hauptprodukt tritt mit Temperaturen zwischen 150 und 250 °C aus den Trocknern

aus [49]. Für den gesamten Wärmeverlust über die Trommelwand wird angenommen, dass

sich dieser als das zweifache der Strahlungswärme an den Komponentenwänden abschätzen

lässt. Dazu wird von Trommeln mit Längen zwischen 10 bis 30 Metern, Außendurchmessern

von 3 Metern und Oberflächentemperaturen von 200 °C bis 210 °C ausgegangen, wobei für

die Berechnung der abgestrahlten Wärme eine Umgebungstemperatur in Höhe von 15 °C

angenommen wird.

Kraft-Wärme-Kopplungsanlage Analog wie bei den Brennern für die Trockner werden

bei den Brennern der Kessel 3 bis 6 sowohl Umgebungsluft als auch Heißluft eingesetzt. Das

Verhältnis der beiden Luftmolenströme der Kessel 3 bis 5 ergibt sich aus den Messwerten,

die für diese Kessel vorliegen und wird unabhängig von der Kesselauslastung als konstant

angenommen. Die Aufteilung des Restgases auf die Kessel wird ebenfalls anhand von Mess-

werten abgeleitet. Der jeweilige Anteil am insgesamt verfügbaren Restgasstrom wird konstant

gehalten. Der Heißluftmassenstrom wird mittels der Regelungen des Restsauerstoffs in den

40


Kesselabgasströmen eingestellt. Dabei werden Stoffmengenanteile für den Restsauerstoff

zwischen 2,5 und 5 % angenommen. Der Wärmeverlust der Dampferzeuger wird in Abhän-

gigkeit ihrer Wärmeleistung abgeschätzt [92]. Der Massenstrom des Wasserdampfs dient als

Stellgröße, um die gemessene Abgastemperatur zu simulieren. Die Frischdampfparameter

entsprechen den gemessenen Werten und es werden wasserseitige Druckverluste von bis

zu 3,1 bar in den Dampferzeugern angenommen. Für Dampfturbinen werden inklusive der

Generatoren Gesamtwirkungsgrade von 72 bis 75 % eingestellt. Die Kondensationszustän-

de werden mit 0,075 bar und 42,75 °C, beziehungsweise mit 0,2 bar und 62,17 °C simuliert.

Kondensatpumpen weisen einen Gesamtwirkungsgrad von 75 % auf. Eine Druckanhebung

erfolgt auf bis zu 1,11325 bar, um das Kondensat von den Kondensatoren zu dem atmosphä-

rischen Kondensatsammelbehälter zu fördern. Von dort aus wird das Kondensat mittels

einer Pumpe zum Kondensatvorwärmer transportiert.Für den Kondensatvorwärmer wird

eine Effektivität von 90 % angenommen. Druckverluste werden für diese Komponente ver-

nachlässigt, sodass der anschließende Speisewasserbehälter ebenfalls bei 5 bar betrieben

werden kann und eine Wassertemperatur in Höhe von 152 °C aufweist. Als Stellgröße zur

Regelung der Temperatur im Speisewasserbehälter dient ein Dampfstrom aus dem 8 bar

Dampfnetz. Die Speisewasserpumpen für beide Wasserdampfkreisläufe sind als parallel

betriebene Pumpengruppen ausgeführt. Sie weisen Austrittsdrücke in Höhe von 86 bar, be-

ziehungsweise 40,6 bar auf. Eine der Pumpen je Pumpengruppe wird elektrisch betrieben

und mit einem Gesamtwirkungsgrad in Höhe von 35 % simuliert. Eine zweite Pumpe erhält

die Antriebsleistung jeweils über eine Welle, die mit einer Dampfturbine verbunden ist. Diese

Dampfturbinen werden mit einem isentropen Wirkungsgrad in Höhe von 75 % simuliert. Der

Dampfmassenstrom dient als Stellgröße, um den aus Messwerten abgeleiteten hydraulischen

Wirkungsgrad in Höhe von 35 % in der angeschlossenen Speisewasserpumpe zu simulieren.

Am Austritt der zugehörigen Speisewasserturbinen weist der Dampf einen Druck in Höhe

von 8 bar auf. Der Dampf kondensiert jeweils stromabwärts in Speisewasservorwärmern.

Dabei wird für den Speisewasservorwärmer des 90-bar-Kreislaufs eine Effektivität in Höhe

von 90 % und für den 40-bar-Kreislauf eine Effektivität in Höhe von 76 % angenommen.

Neben den Dampferzeugern, die mit Restgas betrieben werden, gibt es zwei weitere Dampf-

erzeuger, welche Dampf für die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage bereitstellen. Für die Brenn-

kammer des Kessel 7 wird eine vollständige Verbrennung von Erdgas mit Umgebungsluft

simuliert. Der wasserseitige Druckverlust beträgt 3,1 bar und die Austrittstemperatur der

Komponente wird entsprechend gemessener Werte in der Fließbildsimulation vorgegeben.

Als Stellgröße zur Regelung der Abgastemperatur wird der Dampfmassenstrom gewählt. Der

41


FLR-Kessel erzeugt Dampf auf einem Druckniveau von 8 bar. Es wird vereinfacht, entspre-

chend der Messungen, eine konstante Wärmeleistung angenommen. Für die Auskopplung

von Prozessdampf auf den drei Druckniveaus (8, 15 und 25 bar) wird jeweils ein konstanter

Molenstrom vorgegeben, der sich aus Messwerten ergibt. Der Dampfstrom des 8 bar-Netzes,

welcher nicht zur Speisewasservorwärmung verwendet wird, gibt Wärme an ein Fernwärme-

netz sowie an das werksinterne Wärmenetz ab. Beide Temperaturen, die, mit der das Wasser

nach der Wärmeabgabe an die Wärmenetze in den Kondensatsammelbehälter strömt, sowie

die des Wassers, das aufgrund der Prozessdampfauskopplung zu ersetzen ist, werden mit

einer Mischtemperatur in Höhe von ca. 56 °C simuliert.

4.2.1 Exergoökonomische Analyse

Im Rahmen der Recherche von Kostendaten wird unter anderem Literatur herangezogen,

deren Daten in US Dollar angegeben sind. Der Währungskurs19 zur Umrechnung von US

Dollar in EURO wird zu 1,08 USDEUR abgeschätzt [4].

Um Kosteninformationen verschiedener Zeitpunkte auf einen einheitlichen Zeitpunkt zu

normieren, wird in dieser Arbeit der Chemical Engineering Plant Cost Index (CEPCI) verwen-

det [2]. In der Abbildung 4.1 sind die historischen Werte für diesen Kostenindex aufgetragen

[3, 5]. Aufgrund des Angebots und der Nachfrage zum Bau chemischer Anlagen kam es in

der Vergangenheit in der Regel20 zu jährlichen Kostensteigerungen chemischer Anlagen. Die

jährliche Kostensteigerung chemischer Anlagen beträgt geometrisch gemittelt rund 2%pa für

die 20 Jahre von 1996 bis 2015. Für den Zeitraum von 1950 bis 2015 ergibt sich eine geome-

trisch gemittelte Wertänderung des Kostenindexes in Höhe von ca. 3,2%pa. In der Abbildung

4.1 ist neben der historischen Entwicklung des Index ebenfalls ein möglicher zukünftiger

Indexverlauf zu sehen. Für die abgebildete Prognose bis zum Jahr 2017 wird, ausgehend vom

Indexstand für 2015, eine jährliche Kostensteigerung gegenüber den jeweiligen Vorjahren

in Höhe von 2% angenommen. Der prognostizierte Indexstand wird so für das Jahr 2017 zu

458,1 abgeschätzt.

Die Investitionskosten werden zunächst auf der Komponentenebene mit Hilfe von Kosten-

funktionen oder anhand anderer Kostenangaben aus der Literatur ermittelt. Anschließend

lassen sich die Kosten für die Gesamtanlage mit Hilfe von Literaturangaben für Kosten ganzer

19Der angegebene Wert entspricht etwa dem exponentiell gewichteten Mittelwert der vergangenen 200 Tages-schlusskurse am 21.04.2017.

20Lediglich in den Jahren 1961, 1986, 1992, 2009, 2012, 2013 und 2015 verringerte sich der Index-Wert imVergleich zum Vorjahr in dem dargestellten Zeitraum

42


0

100

200

300

400

500

600

700

1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020

Che

mic

al E

ngin

eerin

g Pl

ant C

ost I

ndex

(CEP

CI)

Jahr

CEPCI historisch

Prognose

Abbildung 4.1: Historische Entwicklung des Kostenindexes für chemische Anlagen

Carbon Black Anlagen validieren [47].

Das Unternehmen, dessen Anlage analysiert wird, weist einen Anteil an Fremdkapital in

Höhe von ca. 93 % auf [34]. Der Zinssatz für Euro-Tranchen beträgt zum Zeitpunkt der

Untersuchung 2,75 %. Die entsprechenden Fremdkapitalkosten sind bei der Berechnung

der Komponentenfixkosten berücksichtigt. Das Eigenkapital erzeugt keine Kosten. Die Ge-

samtkapitalkosten, werden daher mit einem gewichteten Zinssatz in Höhe von ca. 2,56 %

berechnet. Der Deckungsbeitrag 2, der im Ergebnisteil dieser Arbeit ermittelt wird, lässt sich

demnach als ein Überschuss zur Deckung von Fixkosten interpretieren, bei dem die Zinslast

bereits berücksichtigt ist.

Die Betriebs- und Wartungskosten werden für das erste Jahr zu 5 % der Investitionskos-

ten der Gesamtanlage abgeschätzt. Die jährliche allgemeine Kostensteigerung wird zu 2 %

angenommen.

Die Komponentenkosten, die sich aus der Investition, dem Betrieb und der Wartung der

Anlage ergeben, werden in dieser Arbeit als fixe Kostenströme betrachtet, die über die Le-

bensdauer der Anlage (20 Jahre) nivelliert sind. Eine Marktpreisänderung der Rohstoffe wird

hingegen nicht prognostiziert. Es handelt sich bei den variablen Umsatzkosten um Kos-

43


tenströme, die nicht nur vom Massenstrom eingesetzter Rohstoffe abhängig sind, sondern

sich ebenfalls mit dem Marktpreis ändern. Auch die Erlöse der unterschiedlichen Produkte

unterliegen Marktpreisschwankungen, deren zukünftige Entwicklung über die Lebensdauer

der Anlage in dieser Arbeit nicht prognostiziert wird.

Für die exergoökonomische Analyse erfolgt eine manuelle Aufteilung der exergiespezifischen

Kosten in den CB-Filtern. Es gilt für alle Analysen in dieser Arbeit die Annahme, dass die

Komponenten, die dem Reaktor vorgelagert sind, ausschließlich der Herstellung des Haupt-

produkts dienen. Sämtliche exergiespezifische Kostensteigerungen, die im Anlagenteil der

CB-Erzeugung exklusive dem Luftvorwärmer 2 auftreten, werden daher dem Hauptprodukt

zugeordnet. Für das verbleibende Restgas gilt, dass dessen exergiespezifische Kosten denen

der mittleren exergiespezifischen Kosten der Exergieströme entsprechen, die als Aufwand in

diesen Teil der Anlage eintreten. Dazu zählen die Exergieströme des eingesetzten Öls sowie

des Erdgases, und die Antriebsleistungen von Verbrennungsluftverdichtern. Die spezifischen

Kosten der eingesetzten Exergieströme von Rohstoffen ergeben sich aus Analysen histori-

scher Rohstoffpreise für Industriekunden [33]. Um durchschnittliche Preise für das Jahr 2017

abzuschätzen, werden die historischen Werte mit historischen und aktuellen Preisen am

Futuresmarkt der Chicago Mercantile Exchange verglichen [32]. Aufgrund von Steuern und

Transaktionskosten sind die Preise für eine physische Lieferung an Industriekunden höher

als die Preise an den Rohstoffhandelsplätzen. Im Ergebnis ergeben sich folgende Annahmen

für exergiespezifische Rohstoffkosten:

• cÖl = 29,45 e2017MWhex

• cErdgas = 27,68 e2017MWhex

Die Gesamtanlage erzeugt insgesamt einen Stromüberschuss. Die exergoökonomische Ana-

lyse wird daher so durchgeführt, dass die spezifischen Stromkosten von Antrieben in der

Anlage etwa21 gleich den mittleren Stromgestehungskosten derselben Anlage sind. Es wird

keine Elektrizität von außen zugeführt. Kosten, die sich aus den Emissionen von CO2 ergeben,

werden in dieser Analyse nicht berücksichtigt.

Die Annahmen über Produktpreise werden auf unterschiedliche Wege hergeleitet. Sie werden

benötigt, um Erlöse zu ermitteln. Für die Fernwärme und die werksinterne Wärmeversor-

gung wird der Wärmepreis mit Hilfe von Opportunitätskosten abgeschätzt, die sich aus einer

21Das numerische Abbruchkriterium wird auf die Differenz zwischen den spezifischen Kosten der bereit

gestellten und genutzten Elektrizität angewendet und beträgt 10−3 e2017MWhex

.

44


alternativen erdgasbetriebenen Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ergeben würden. Für die

vereinfachte, konservative Abschätzung werden die heizwertspezifischen Erdgaskosten zu

cErdgas = 30e2017MWh , der Nutzungsgrad der Anlage zu 80 % und eine Stromkennzahl zu 40 % an-

genommen. Je nachdem, wozu der erzeugte Strom genutzt wird, kann dessen Wert zwischen

den Marktpreisen (EEX-Baseload ca. 35e2017MWh ) und den verdrängten Strombezugskosten22

von bis zu mehr als 100 e2017MWhen

schwanken. Um sämtliche variablen Bezugskosten zu de-

cken, sollte der Wärmepreis demnach zwischen −4,2 e2017MWhth

und 39,2 e2017MWhth

liegen. Da der

Mittelwert dieser Werte 17,5 e2017MWhth

beträgt und bei dieser Abschätzung noch keine Fixkosten

berücksichtigt sind, wird der Wärmepreis zu 20 e2017MWhth

bzw. ca. 60,5 e2017MWhex

abgeschätzt.

Der in der Anlage erzeugte elektrische Strom sollte in der realen Anlage möglichst dazu

genutzt werden, den Strombezug über die Systemgrenze zu substituieren. Da zusätzliche

elektrische Antriebe auf dem Gelände in der Simulation nicht abgebildet sind, wird der

Wert des überschüssigen Stroms konservativ mit dem durchschnittlichen Baseload Preis in

Höhe von 35 e2017MWhen

abgeschätzt [20]. Da mit der verwendeten Simulationssoftware keine

elektrischen Leistungen mehrerer Generatoren kumuliert und an Antriebe verteilt werden

können, erfolgt die Simulation zunächst in der Form, dass elektrische Leistungen von Ge-

neratoren und Antrieben unabhängig voneinander berechnet werden. Der monetäre Wert

von Elektrizität wird anschließend außerhalb der Simulationsumgebung iterativ mit Matlab

ermittelt. Dabei erfolgt die Berechnung, indem für den monetären Wert der eingehenden

Elektrizitätsströme der Wert der erzeugten Elektrizität aus dem vorangegangenen Iterations-

schritt verwendet wird. Als Abbruchbedingung der Programmschleife dient die Differenz

zwischen den monetären Werten für die Antriebe des letzten Iterationsschritts cel,0 und der

aktuellen Berechnung cel. Ist der Wert |cel,0−cel||cel| kleiner als 10−3 e2017

MWhex, wird der monetäre Wert

der eingehenden Elektrizitätsströme zum Antrieb von Pumpen, Verdichter und Perlmaschi-

nen, als hinreichend genau angenommen.

Der Marktpreis von Carbon Black wird aus dem Quartalsbericht einer Aktiengesellschaft

abgeleitet [34]. Hierin werden sowohl die produzierten Massenströme als auch die Erlöse

von zwei Carbon Black Spezifikationsgruppen angegeben. Es geht aus dem Bericht her-

vor, dass zwischen den beiden Gruppen Rubber Carbon Black und Specialty Carbon Black

unterschieden werden kann. Im weltweiten Durchschnitt über alle Anlagen des Konzerns

22 Die Stromkosten betragen für kleinere Betriebe mit einem Jahresbedarf von weniger als 20 GWh mehr als

120 e2017MWh [16, 33].

45


konnten für die Gruppe der Specialty Carbon Blacks im ersten Quartal 2017 etwa 73 % höhere

Marktpreise erzielt werden als für die Rubber Carbon Blacks. Als Grund wird hierfür von

dem Vorstandsvorsitzenden Jack Clem die Wettbewerbssituation bei einigen Carbon Black

Sorten angegeben [60]. Im Quartalsbericht werden neben den getrennten Erlösen ebenfalls

die Massenströme der beiden Sorten getrennt ausgewiesen. Um die spezifischen Erlöse

für die Hauptprodukte abzuschätzen, werden die weltweit erzielten Erlöse durch die ent-

sprechenden CB-Massenströme geteilt. Es ist davon auszugehen, dass in den so erhaltenen

spezifischen Marktpreisen ebenfalls Erlöse aus dem Verkauf von Nebenprodukten enthalten

sind. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit geht allerdings hervor, dass unter den getroffenen

Annahmen etwa 94 % des Erlöses der untersuchten Anlage durch den Verkauf von Carbon

Black erzielt wird. Entsprechend den angegebenen Annahmen und Quellen ergeben sich

folgende exergiespezifische Produkterlöse:

• rElektrizität (Netto) = 35 e2017MWhex

• rWärme = 60,5 e2017MWhex

• rCB,Rubber = 98,8 e2017MWhex

• rCB,Specialty = 171,4 e2017MWhex

4.2.2 Exergoökologische Analyse

Die mit ECO-Indikatorpunkten bewerteten Schadensfaktoren emittierter Stoffe sind der Lite-

ratur [58] entnommen. Die Aufteilung der Umweltlasten auf die Produkte in den CB-Filtern

erfolgt analog zum Vorgehen bei der exergoökonomischen Analyse. Sämtliche Umweltlasten

im CB-Erzeugungsteil der Anlage, exklusive der Umweltlasten, die in den Luftvorwärmer 2

an die Heißluft übertragen werden, sind dem Hauptprodukt zugeordnet. Der Umwelteinfluss

des Restgases am Austritt der Filter entspricht somit dem Mittelwert der variablen Umwelt-

einflüsse eingesetzter Rohstoffe und der Antriebsleistung des Verbrennungsluftverdichters

[57].

Da es sich bei dem Hauptprodukt Carbon Black um ein lungengängiges Material handelt,

ist dessen Schadensfaktor in dieser Arbeit im Gegensatz zu vorangegangenen Untersuchun-

gen des Autors berücksichtigt [74, 73]. Von der internationalen Agentur für Krebsforschung

wird der Stoff als möglicherweise krebserregend23 für Menschen eingestuft [30]. Diese Ein-

23Die Klassifizierung nach IARC lautet "possibly carcinogenic to humans (Group 2B)".

46


schätzung basiert unter anderem auf Studien, die an unterschiedlichen Standorten in den

USA, Großbritannien und in der untersuchten Anlage in Deutschland durchgeführt wurden

[105, 54, 48, 78]. Aus ihnen geht keine statistisch eindeutig nachweisbare Korrelation von

Krebserkrankungen und der Aussetzung von Carbon Black hervor. Ein Zusammenhang kann

jedoch nicht vollkommen ausgeschlossen werden. Andere Substanzen, die gleichermaßen

klassifiziert werden, sind zum Beispiel Stoffe wie Acetaldehyd, Propylenoxid und Chloroform

[26, 25, 22]. Diesen Stoffen werden folgende Schadensfaktoren zugewiesen [58]:

• 5,61 mPtskgAcetaldehyd

• 304 mPtskgPropylenoxid

• 683 mPtskgChloroform

Für den Schadensfaktor von Carbon Black ist in dieser Literatur jedoch kein Wert zu finden.

Der Faktor von Dieselrußpartikel wird hingegen zu 254 mPtskgdiesel soot

angegeben. Im Gegensatz

zum Carbon Black weist Dieselruß jedoch mit Werten zwischen ca. 10 bis 80 % einen signifi-

kant höheren Massenanteil an aromatischen Kohlenwasserstoffen auf. Diese Stoffgruppe

wird als wahrscheinlich krebserregend24 eingestuft [31]. Der Masseanteil dieser Verbin-

dungen an den Carbon Black Partikeln beträgt weniger als 0,1 % [49]. Es ist daher davon

auszugehen, dass der Schadensfaktor von industriell hergestelltem Ruß deutlich geringer

ist, als der in der Literatur angegebene Schadensfaktor von Dieselruß. Einige Carbon Black

Sorten, die weniger als 0,1 % toluenelöslicher Substanzen aufweisen, haben sogar eine Ge-

nehmigung für den Lebensmittelkontakt in Europa [44]. Um den Schadensfaktor insgesamt

konservativ abzuschätzen, wird der gleiche Wert angenommen wie für Dieselruß. Für die

untersuchte Anlage beträgt die Partikelemission weniger als 0,01 % des produzierten Carbon

Black Massenstroms [49].

Analog zur exergoökonomischen Analyse erfolgt die Ermittlung des spezifischen Umwelt-

einflusses der Elektrizität von Antrieben, indem der Wert iterativ in Matlab ermittelt wird.

Die Differenz zwischen den ökologischen Werten in die simulierte Anlage eintretender und

austretender Elektrizitätsströme, ab der der spezifische Umwelteinfluss von Elektrizität als

hinreichend genau angenommen wird, beträgt 10−3 PtsGJex

.

Insgesamt lassen sich die getroffenen Annahmen bezüglich der Umwelteinflüsse von Eduk-

ten sowie Carbon Black- und CO2-Emissionen wie folgt zusammenfassen:

• bÖl = 12,3 PtsMWhex

24Die Klassifizierung nach IARC lautet "probably carcinogenic to humans (Group 2A)".

47


• bErdgas = 12,9 PtsMWhex

• ECOCO2 = 5,4545 mPtskg

• ECOCB = 0,0254 mPtskg

48

5. Ergebnisse

In dieser Arbeit werden gerundete Werte präsentiert. Die gezeigte Genauigkeit der Anga-

ben impliziert dabei keine Aussage über die Zuverlässigkeit der Werte. Die verwendeten

Programme rechnen mit der höchstverfügbaren Genauigkeit. Es kann daher zu Abweichun-

gen kommen, wenn die dargestellten Zwischenergebnisse für Berechnungen verwendet

und die so erhaltenen Ergebnisse mit denen dieser Arbeit verglichen werden. Anhand des

Ergebnisteils dieser Arbeit soll insgesamt deutlich werden, welches Potential eine struktu-

rierte Analyse verschiedener Bewertungsfaktoren auf der Komponentenebene aufweist. Es

werden thermodynamische, ökonomische und ökologische Zusammenhänge der realen

Anlage erfasst und Maßnahmen zur Prozessverbesserung abgeleitet. Da die Ergebnisse dieser

Arbeit auf den Daten realer Anlagen beruhen, werden einige Ergebnisse wegen möglicher

Betriebsgeheimnisse nicht veröffentlicht. Die aus den Zahlen abgeleiteten Aussagen sind

jedoch allgemeingültig auf andere Kuppelproduktionsprozesse übertragbar.

5.1 Analyse des bestehenden Systems

Die untersuchte Anlage wird zunächst exergetisch analysiert. Dabei werden Komponenten

identifiziert, die einen hohen Anteil an der Exergievernichtung der Gesamtanlage aufweisen.

Anschließend erfolgt eine exergoökonomische Analyse, in der zunächst die Kostengestehung,

die Erlösverteilung sowie zuletzt die Deckungsbeiträge auf Komponentenebene untersucht

werden. Als Ergebnis werden die Komponenten herausgearbeitet, deren Einfluss auf das

jeweilige Bewertungskriterium am höchsten sind. Des Weiteren wird die Anlage exergoöko-

logisch analysiert, um alternative Szenarien der Produktion nicht nur ökonomisch, sondern

ebenfalls ökologisch mit der Bestandsanlage vergleichen zu können. Abschließend werden

aus den Beobachtungen Maßnahmen zur Effizienzverbesserung gegenüber dem Bestands-

system abgeleitet. Die Ergebnisse der Arbeit sind zwar quantitativ ausgewiesen, die exakten

49

Kapitel 5 Ergebnisse

Zahlenwerte sollten jedoch nicht dazu verleiten, direkt interpretiert zu werden. Vielmehr liegt

der Fokus darauf, qualitative Aussagen über die Performance verschiedener Szenarien zu er-

halten, sowie eine objektive Möglichkeit zur Priorisierungen von Verbesserungsmaßnahmen

aufzuzeigen.

5.1.1 Exergieanalyse

Luft

Erdgas

Reaktions-

zone

Feedstock

Öl

Vor-

quench

Quench

Wasser

Wasser

Wasser

Luft

Wasser

Filter

Carbon Black

Restgas

Heißluft

HeißluftÖl-

Vorwärmer

Vorbrenn-

kammer

Luftvor-

wärmer 1Luftvor-

wärmer 2

Ofen

Auf Wunsch des kooperierenden Unternehmens, wird das Originalfließbild zur Veranschaulichung der Ergebnisse an

dieser Stelle nicht veröffentlicht. Es liegt den Gutachtern sowie dem Unternehmen zur Bewertung dieser Arbeit vor.

Die hieraus abgeleiteten Aussagen im Text sind allgemeingültig gehalten und somit auf andere

Kuppelproduktionsanlagen übertragbar.

Abbildung 5.1: Flussdiagramm: Exergieströme in der Erzeugungseinheit

In der Abbildung 5.1 sind die Exergieströme einer repräsentativen Erzeugungseinheit ab-

gebildet. Diese Einheit weist Werte für die untersuchten Bewertungsfaktoren25 auf, welche

repräsentativ sind für die über alle Erzeugungseinheiten gemittelten Werte. Die gewählte

Form der Darstellung ermöglicht es, die Wertigkeit der Ströme visuell zu erfassen. Die in

25Gemeint sind hier die Bewertungsfaktoren Exergie, Kosten, Erlöse, Deckungsbeiträge und Umwelteinflüsse.

50


den Fließbildern enthaltenen Zahlen sind jeweils auf drei26 bis vier27 signifikante Stellen

gerundet. Wenn eine darzustellende Zahl kleiner ist als 10−3, wird der Wert Null angezeigt.

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

Exe

rgie

vern

icht

ungs

quot

ient

CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage

𝑦𝑦 𝐷𝐷

Reaktor

Abbildung 5.2: Balkendiagramm: Exergievernichtungsquotienten von Komponentengruppen

Die Ergebnisse der Exergieanalyse werden für die wichtigsten Komponentengruppen zu-

sammengefasst und sind in der Tabelle 1.13 im Anhang A.4 dieser Arbeit aufgelistet. In der

Abbildung 5.2 ist der Exergievernichtungsquotient yD für relevante Komponentengruppen

veranschaulicht. Aus den Ergebnissen geht hervor, dass etwa 45 % der gesamten Exergie-

vernichtung im Anlagenteil der Carbon Black Erzeugung auftritt. Reaktoren bestehen aus

den Komponentengruppen Vorbrennkammer, Reaktionszone, Vor- und Hauptquench. In

der Literatur wird angegeben, dass ein Furnaceruß-Reaktor für etwa 70 % der Exergiever-

nichtung28 verantwortlich ist [80]. Dabei ist nicht eindeutig angegeben, worauf sich der

prozentuale Anteil der Exergievernichtung bezieht. In der untersuchten Anlage verursacht

ein durchschnittlicher Furnaceruß-Reaktor ca. 81,5 % der Exergievernichtung im Bereich der

Carbon Black Erzeugung. Der Anteil an der kumulierten Exergievernichtung, die sich aus den

26Drei signifikante Stellen für die Darstellung spezifischer Werte c,r,o.27Vier signifikante Stellen für die Darstellung von Stromflüssen

.E ,

.C ,

.R,

.O.

28Die Autoren der Studie bezeichnen Exergievernichtungen als ”internal exergy losses”.

51


Anlagenteilen CB-Erzeugung und -Nachbehandlung ergibt, beträgt rund 71 % und bezogen

auf die Exergievernichtung der Gesamtanlage beträgt der Anteil aller Reaktoren ca. 36 %.

Von den in der Abbildung 5.2 dargestellten Komponentengruppen im Bereich der Carbon

Black Erzeugung haben die Reaktionszonen den größten Beitrag an der Exergievernichtung.

Etwa 4,8 % der insgesamt aufgewandten Exergie werden durch Quenchprozesse vernichtet.

In der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage wird rund 20,7 % des exergetischen Aufwands der

Gesamtanlage vernichtet. Die Verbrennung von Restgas sowie die Wärmeübertragung in den

Dampferzeugern weisen dabei von den dargestellten Komponentengruppen die höchsten

Werte für Exergievernichtung auf. Hierfür sind Irreversibilitäten durch Mischung, chemische

Reaktion sowie die Wärmeübertragung bei hoher Temperaturdifferenz ursächlich. Ca. 2,8 %

des Exergieaufwands der Gesamtanlage wird im Bereich der Nachbehandlung vernichtet.

Das exergetische Verbesserungspotential der Nachbehandlung ist daher von untergeordneter

Bedeutung.

Tabelle 5.1: Ergebnisse der Exergieanalyse - Szenario I

Einheit Szenario I

Eintretende Ströme.

E F,Sonstige Cn Hm MWex 47,07.

E F,Öl MWex 260,51.

E F,Andere MWex 5,33.

E F,Gesamt MWex 312,91

Austretende Ströme.

E P,Elektrizität (Netto) MWex 23,64.

E P,Wärme MWex 1,89.

E P,CB MWex 133,74.

E P,Gesamt MWex 159,27.

E L,Gesamt MWex 19,45

KennzahlenεGesamt % 50,90yL,Gesamt % 6,22

In der Tabelle 5.1 sind die Ergebnisse der Exergieanalyse für die bestehende Anlage zu se-

hen. Insgesamt beträgt der Exergiestrom.

E F,Gesamt für den gesamten Aufwand ca. 313MWex.

Davon ist ein Exergiestrom in Höhe von etwa 261MWex auf den Einsatz von Feedstock-Öl

zurückzuführen..

E F,Sonstige Cn Hm ist die Summe der Exergieströme, der Kohlenwasserstoffe,

52


die für den Betrieb der Vorbrennkammern in Reaktoren sowie zur Restgasbehandlung im

Kessel 7 eingesetzt werden. Unter.

E F,Andere sind die restlichen in die Gesamtanlage eintreten-

den Exergieströme zusammengefasst. Darunter fallen Exergieströme in Form von Heißluft,

Dampf und Restgas, welche bei der Produktion von weiteren Rußprozessen am Standort

anfallen. Da in dieser Arbeit lediglich Komponenten der Gesamtanlage untersucht werden,

die dem Furnace-Ruß-Prozess direkt zuzuordnen sind, treten die Exergieströme anderer

Prozesse über die simulierte Systemgrenze und werden als exergetischer Aufwand bewertet.

Der Carbon Black Exergiestrom hat mit rund 84% den höchsten Anteil am gesamten Exer-

gieprodukt der Anlage. Das Produkt mit dem zweithöchsten Anteil am Gesamtprodukt ist

die Elektrizität. Abzüglich der simulierten Antriebe der Anlage steht eine Leistung in Höhe

von etwa 24MW bereit, um sonstige elektrische Antriebe am Standort zu bedienen oder am

Markt verkauft zu werden. Die ausgekoppelte Wärme stellt mit einem Anteil von etwas mehr

als 1% des Exergieprodukts einen untergeordneten exergetischen Nutzen der Gesamtan-

lage dar. Der exergetische Wirkungsgrad der Gesamtanlage beträgt ca. 51%. Rund 6% des

gesamten Exergieaufwands wird als Exergieverlust an die Umgebung abgegeben. Einerseits

handelt es sich hierbei um die Exergieströme der Abgase. Zum anderen werden hierin die

Exergieströme von ungenutzter Heißluft und ungenutztem Restgas berücksichtigt. In der

Simulation wird für die Abbildung der Gasnetze ein Überschuss benötigt, damit die Software

zur Fließbildsimulation entsprechende Bilanzen lösen kann. Die Abnehmer der jeweiligen

Stoffströme dürfen sich aus dem Heißluftnetz sowie dem Restgasnetz entsprechend ihrem

Bedarf bedienen. Die ungenutzten Gasströme werden in der Simulation an die Umgebung

abgegeben. Die Exergieströme dieser Überschüsse betragen rund 0,4MWex (Restgas) und ca.

1,8MWex (Heißluft). In der realen Anlage ist davon auszugehen, dass in solchen Fällen, in

denen die Abnehmer weniger Restgas und Heißluft nachfragen als von den Carbon Black

Erzeugungseinheiten produziert wird, der Druck in den Netzen zunächst steigt. Restgas-

und Heißluftabnehmer wie die Kessel 3 bis 6 der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage regeln

den Druck im Restgasnetz und den Druck im Heißluftnetz. Der zunehmende Druck führt

somit dazu, dass die Abnehmer mehr Restgas umsetzen und zusätzlichen elektrischen Strom

und Wärme erzeugen. Es ist folglich davon auszugehen, dass der insgesamt auftretende

Exergieverlust in der realen Anlage geringer ist als der simulierte.

53


Tabelle 5.2: Vergleich ökonomischer Ergebnisse

Kennzahlen Einheit Q1-Bericht [34] Dissertation Abweichung

rCB,Rubbere2017

kg 0,94 0,94 0,0%

rCB,Specialtye2017

kg 1,63 1,63 0,0%

rCB,Averagee2017

kg 1,11 1,08 -2,2%

RP,Gesamt106 e2017

a 124,8 122,1 -2,2%

CF,Gesamt106 e2017

a 74,7 72,8 -2,6%

OIP,Gesamt

106 e2017a 50,0 49,3 -1,5%

ZGesamt106 e2017

a 13,2 13,1 -0,9%

OIIP,Gesamt

106 e2017a 36,8 36,1 -1,8%

5.1.2 Exergoökonomische Analyse

Um die nachfolgend präsentierten Ergebnisse der exergoökonomischen Analyse einordnen

zu können, sind in der Tabelle 5.2 die ökonomischen Ergebnisse dieser Arbeit denen des

Quartalsberichts für das erste Quartal in 2017 des Anlagenbetreibers gegenübergestellt [34].

In dem Quartalsbericht sind die Konzernergebnisse für den Quartalszeitraum der weltweiten

Produktion angegeben. Für die untersuchte Anlage wird ein Carbon Black Massenstrom in

Höhe von rund 113 kta simuliert. Insgesamt produziert das Unternehmen etwa 1100 kt

a . Für

den Vergleich sind die Werte aus dem Quartalsbericht daher mit dem Massenstromverhältnis

korrigiert dargestellt. Der Erlös wird in dem Quartalsbericht als ”Revenue” angegeben. Der

Deckungsbeitrag-1 wird darin als ”Contribution Margin” bezeichnet und für die Validierung

des Deckungsbeitrags-2 kann der Wert für den ”Gross Profit” herangezogen werden. Wie

im Abschnitt 4.2.1 beschrieben, werden die spezifischen Erlöse rCB,Rubber und rCB,Specialty

der beiden Hauptproduktsorten den Werten des Quartalberichts entnommen. In dieser

Arbeit wird die Produktion von Specialty Carbon Black lediglich für eine Produktionslinie

simuliert. Der weltweite Anteil dieser hochwertigen Sorte an der Gesamtproduktion ist hö-

her. Der Mittelwert des spezifischen CB-Erlöses rCB,Average liegt für die untersuchte Anlage

deshalb etwa 2,2 % unterhalb des entsprechenden Wertes für die weltweit gemittelte Pro-

duktion. Zur Berechnung der gemittelten spezifischen CB-Erlöse wird der Erlösstrom aller

Haupt- und Nebenprodukte der simulierten Gesamtanlage durch den insgesamt produzier-

ten Carbon-Black-Massenstrom geteilt. Da es sich bei Carbon Black um das Hauptprodukt

54


handelt, dessen Erlös einen Anteil von rund 94 % des Gesamterlöses der untersuchten Anlage

ausmacht, beträgt die Abweichung für den Erlösstrom RP,Gesamt ebenfalls etwa 2,2 %. Der

berechnete Deckungsbeitrag-1-Strom OIP,Gesamt ist in dieser Arbeit rund 1,5 % geringer als

der Wert im Quartalsbericht. Die jährlichen variablen Umsatzkosten CF,Gesamt werden in

dieser Arbeit aus dem simulierten Rohstoffbedarf und den zugehörigen Börsenpreisen der

Rohstoffe zu 72,8 106 e2017a ermittelt. Die Differenz zwischen dem Revenue und der Contri-

bution Margin des Quartalsberichts ergeben variable Kosten, die um ca. 2,6 % größer sind.

Die Abweichung zwischen dem Deckungsbeitrag-2-Strom OIIP,Gesamt dieser Arbeit und dem

Gross Profit ist geringer als 2 %. Die im Gross Profit enthaltenen Fixkosten, die mit dem

Wert ZGesamt verglichen werden können, werden aus der Differenz zwischen den beiden De-

ckungsbeiträgen beziehungsweise zwischen dem Gross Profit und der Contribution Margin

ermittelt. Die in dieser Arbeit bestimmten Fixkosten weichen um weniger als 1 % von denen

des Quartalsberichts ab.

Kosten In der Abbildung 5.3 sind die spezifischen Kosten einzelner Ströme zu sehen. Der

gewichtete Mittelwert der exergiespezifischen Kosten der Aufwandsströme zum Betrieb des

Luftverdichters stromaufwärts des Luftvorwärmers 1 sowie für das eingesetzte Erdgas und

Feedstock-Öl beträgt ca. 29,6 e2017MWhex

. Der Wert des Restgases, welches aus dem Filter austritt,

wird diesen durchschnittlichen Kosten gleichgesetzt. Die restlichen Kosten, die nicht im

Luftvorwärmer 2 an die Luft übertragen werden, sind dem Carbon Black zuzuordnen. Der

dargestellte Carbon Black Strom hat somit nach der Abtrennung im Filter Kosten in Höhe

von rund 45 e2017MWhex

verursacht.

Der Kostenfluss auf der Komponentenebene wird in der Abbildung 5.4 ebenfalls in Form

eines Flussdiagramms dargestellt. In der gezeigten Carbon Black Erzeugungseinheit werden

Exergieströme aufgewandt, welche kumuliert einen variablen Kostenstrom in Höhe von etwa

1449e2017h ergeben. Die austretenden Gesamtkostenströme weisen hingegen zusammenge-

rechnet einen Wert in Höhe von rund 1561e2017h auf. Die Differenz zwischen diesen Summen

ergibt sich aus den Fixkosten für Investition, Betrieb und Wartung der Komponenten dieses

Anlagenteils.

In der Abbildung 5.5 sind die Ursachen für die Zunahme spezifischer Kosten durch die Kom-

ponentengruppen visualisiert. Es wird zwischen variablen.

C D und fixen Kostenursachen.

Z

unterschieden. Die zugehörigen Zahlenwerte sowie weitere Informationen der exergoökono-

55


Luft

Erdgas

Reaktions-

zone

Feedstock

Öl

Vor-

quench

Quench

Wasser

Wasser

Wasser

Luft

Wasser

Filter

Carbon Black

Restgas

Heißluft

HeißluftÖl-

Vorwärmer

Vorbrenn-

kammer

Luftvor-

wärmer 1Luftvor-

wärmer 2

Ofen





Abbildung 5.3: Flussdiagramm: Spezifische Kosten in der Erzeugungseinheit

mischen Analyse der Kosten sind in der Ergebnistabelle 1.13 im Anhang A.4 dieser Arbeit zu

finden.

Lediglich die exergoökonomischen Faktoren fk der Komponenten, die als ”Sonstige Produk-

tion” und ”Sonstige Nachbehandlung” zusammengefasst werden, liegen über 50%. Dies liegt

vor allem an den verhältnismäßig hohen Fixkosten für Filter und Luftverdichter, im Vergleich

zu den Kosten, die in diesen Komponentengruppen durch Exergievernichtung entstehen.

Alle anderen Komponentengruppen weisen geringere Werte für den exergoökonomischen

Faktor auf. Dies lässt darauf schließen, dass die variablen Kosten, die durch Ineffizienzen in

den Komponenten erzeugt werden, höher sind als die fixen Komponentenkosten. Die Kos-

tenanalyse sagt somit aus, dass eine Kostenreduktion dieses Anlagendesigns möglicherweise

mit geringerem Aufwand zu erreichen ist, indem die Exergieeffizienz der Komponenten

erhöht wird, anstatt dass Komponenten mit geringeren Fixkosten eingesetzt werden.

Im Bereich der Carbon Black Erzeugung verursachen die Reaktionszonen die größten Kosten-

ströme der dargestellten Komponentengruppen. Den beiden Quenchzonen werden geringe

56


Luft

Erdgas

Reaktions-

zone

Feedstock

Öl

Vor-

quench

Quench

Wasser

Wasser

Wasser

Luft

Wasser

Filter

Carbon Black

Restgas

Heißluft

HeißluftÖl-

Vorwärmer

Vorbrenn-

kammer

Luftvor-

wärmer 1Luftvor-

wärmer 2

Ofen





Abbildung 5.4: Flussdiagramm: Kostenströme in der Erzeugungseinheit K7

Komponentenkosten.

Z zugewiesen. Es wird die Annahme getroffen, dass sich deren In-

vestitionskosten zu 1 % der Investitionskosten für die Reaktionszonen abschätzen lassen.

Durch den Quenchvorgang wird jedoch ca. 5 % des insgesamt eingesetzten Exergieaufwands

vernichtet. Daher zeigen die Werte der Quenchzonen die geringsten Werte für den exergo-

ökonomischen Faktor auf ( fVorquench ≈ 0,8% und fHauptquench ≈ 1%). Es scheint demnach

zweckmäßig zu sein, investive Maßnahmen zu untersuchen, die eine Kostenreduktion durch

eine Exergieeffizienzverbesserung an dieser Stelle des Reaktors herbeiführen können.

Die Gesamtkostenströme, die durch Komponenten im Anlagenteil zur CB-Nachbehandlung

verursacht werden sind gering, verglichen mit den Kostenströmen, die in den Bereichen der

CB-Erzeugung und der KWK-Anlage zu sehen sind. Die Gruppe der Trommeltrockner weist

im Bereich der Carbon Black Nachbehandlung die höchsten durch Komponenten verur-

sachten Kostenströme auf. Sie haben die geringsten exergetischen Wirkungsgrade von allen

57


0 €/h

200 €/h

400 €/h

600 €/h

800 €/h

1,000 €/h

1,200 €/h

1,400 €/h

1,600 €/h

CD Z


Z CD

Reaktor

Abbildung 5.5: Balkendiagramm: Ursachen der Kostengestehung in Komponentengruppen

untersuchten Komponenten29. Grund hierfür ist vor allem die hohe Temperaturdifferenz

zwischen dem Rauchgas und dem feuchten Carbon Black.

Aus den Ergebnissen geht hervor, dass die höchsten durch Exergievernichtung verursachten

Kostenströme im KWK-Teil der Anlage auftreten. Zum einen findet in diesem Bereich ein

Großteil der Exergievernichtung statt (yD,KWK ≈ 21%). Zum anderen nehmen die spezifischen

Kosten des exergetischen Aufwands aufgrund fixer Komponentenkosten sowie aufgrund von

Ineffizienzen in einem Prozess stromabwärts zu. Die Brenner der Dampferzeuger weisen

von den untersuchten Komponentengruppen den größten Exergievernichtungsquotienten

auf (yD,Brenner,DE > 8%), was zu einem deutlichen Anstieg der spezifischen Kosten führt.

Daraus folgt, dass die Wärmeübertrager der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage die höchsten

Werte für die Kosten durch Exergievernichtung aufweisen, obwohl sie nicht die höchsten

Exergievernichtungsquotienten haben.

Die wesentlichen Ergebnisse der exergoökonomischen Kostenanalyse sind für die Gesamtan-

lage zusammenfassend in der Tabelle 5.3 dargestellt. Kostenströme, die mit den Exergiever-

lustströmen an die Umgebung abgegeben werden, sind in den Abbildungen zur Darstellung

29εTrommeltrockner ≈ 16% (siehe Tabelle 1.13)

58


Tabelle 5.3: Ergebnisse der exergoökonomischen Kostenanalyse

Einheit Szenario I

Aufwände

cF,Sonstige Cn Hme2017

MWhex27,84

cF,Öle2017

MWhex29,45

cF,Antriebee2017

MWhex124,66

Produkte

cP,Elektrizitäte2017

MWhex124,66

cP,Wärmee2017

MWhex140,11

cP,CBe2017

MWhexxxx,xx

e2017t xxx,xx

EffizienzkennzahlenεC

.mCB

gC B

e2017xxxx

εC.

E P

kWhex

e201714,83

der Kostenflüsse zu sehen. Um die in der Tabelle 5.3 präsentierten Produktgestehungskosten

zu ermitteln, werden die Kostenströme, die ungenutzt an die Umgebung fließen, exergie-

gewichtet auf die Produkte umgelegt. Für den Effizienzvergleich verschiedener Szenarien

werden die Kosteneffizienzen gemessen am produzierten Carbon Black Massenstrom εC.

mCB

sowie gemessen am kumulierten exergetischen Nutzen εC.

E Pausgewiesen. Je eingesetzten

Euro zur Zahlung aller variablen und fixen Kosten der Gesamtanlage, kann etwas mehr

als x kg Carbon Black erzeugt werden. Werden die Kosten jedoch entsprechend der getrof-

fenen Annahmen (siehe Seite 44) im Filter aufgeteilt, ergeben sich andere Werte für die

Hauptproduktgestehungskosten. Die spezifischen Kosten, zu denen Elektrizität in der An-

lage erzeugt wird, betragen rund 125 e2017MWhex

. Die Wärmegestehungskosten liegen bei etwa

140 e2017MWhex

. Insgesamt werden mit Hilfe der bestehenden Anlage je eingesetztem Euro für

variable und fixe Kosten exergetische Produkte mit einer Kosteneffizienz in Höhe von rund

15 kWhex

e2017hergestellt.

Erlöse Die spezifischen Erlöse von Exergieströmen in der Erzeugungseinheit sind in der

Abbildung 5.6 zu sehen. Für das fertige Hauptprodukt kann am Markt ein spezifischer Erlös

erzielt werden, der durchschnittlich größer als 100 e2017MWhex

ist (siehe Tabelle 5.4). Der gefilterte

59


Luft

Erdgas

Reaktions-

zone

Feedstock

Öl

Vor-

quench

Quench

Wasser

Wasser

Wasser

Luft

Wasser

Filter

Carbon Black

Restgas

Heißluft

HeißluftÖl-

Vorwärmer

Vorbrenn-

kammer

Luftvor-

wärmer 1Luftvor-

wärmer 2

Ofen





Abbildung 5.6: Flussdiagramm: Spezifische Erlöse in der Erzeugungseinheit

Carbon Black Strom aus der CB-Erzeugungseinheit muss jedoch vorher vom Filter bis zur

Abpackungshalle transportiert und nachbehandelt werden. Die Fixkosten, die aufzuwen-

den sind, um das verkaufsfähige Produkt zu erstellen, sind von dem finalen Erlösstrom

abzuziehen. Dies führt dazu, dass das Carbon Black, welches aus dem Filter der Erzeu-

gungseinheit austritt, weniger als 90 e2017MWhex

Wert ist. Von den Zwischenprodukten, welche

aus der Erzeugungseinheit austreten, weist das Restgas den geringsten Wert auf. Es wird in

nachgeschalteten Prozessschritten verbrannt, um Erlöse durch den Verkauf von Elektrizität,

Wärme und getrocknetem Carbon Black zu erzielen. Der größte Anteil der Restgasexergie

dient der Bereitstellung von Elektrizität und Wärme. Für diese beiden Produkte werden

vom Markt jedoch vergleichsweise geringe Preise gezahlt. Die spezifischen Kosten der Heiß-

luft, die aus der dargestellten Erzeugungseinheit austritt, sind rund 3,4 Mal höher als die

Kosten des austretenden Restgasstroms (siehe Abbildung 5.3). Heißluft wird nicht wie das

Restgas hauptsächlich im geringwertigen Bereich der KWK-Anlage genutzt. Es dient zu

einem größeren Anteil der Trocknung des hochwertigen Hauptprodukts sowie zusätzlich

60


der Vorwärmung von Feedstock-Öl. Da ein größerer Anteil der Heißluft an der Herstellung

hochwertigen Carbon Blacks beteiligt ist, ist die Heißluft am Austritt des Luftvorwärmers 2

der Erzeugungseinheit mehr als vier Mal so wertvoll wie das Restgas.

Der spezifische Erlös von Erdgas der Erzeugungseinheit beträgt ca. 38,6 e2017MWhex

. Der Wert von

Öl, welches in dieser Einheit eingesetzt wird, beträgt ca. 40,4 e2017MWhex

. Wenn die Marktpreise

dieser beiden Produktionsfaktoren geringer sind als die über alle Erzeugungseinheiten

gemittelten spezifischen Erlöse der jeweiligen Produktionsfaktoren, kann insgesamt ein

positiver Deckungsbeitrag-2-Strom erzielt werden.

Luft

Erdgas

Reaktions-

zone

Feedstock

Öl

Vor-

quench

Quench

Wasser

Wasser

Wasser

Luft

Wasser

Filter

Carbon Black

Restgas

Heißluft

HeißluftÖl-

Vorwärmer

Vorbrenn-

kammer

Luftvor-

wärmer 1Luftvor-

wärmer 2

Ofen





Abbildung 5.7: Flussdiagramm: Erlösströme in der Erzeugungseinheit

In der Abbildung 5.7 ist der Erlösstromfluss auf der Komponentenebene für die Erzeugungs-

einheit zu sehen. Im Vergleich zu den Bewertungen von Strömen mit Hilfe der Exergie (siehe

Abbildung 5.1), Kosten (siehe Abbildung 5.4) und Umwelteinflüssen (siehe Abbildung 5.13)

fällt auf, dass die Bewertung der austretenden Ströme im Filter auf Grundlage der Erlöse deut-

lich von den Bewertungen der anderen Analysen abweicht. Das Restgas transportiert zwar

61


rund 31 % der Gesamtkosten, die aus der Erzeugungseinheit austreten, jedoch trägt es nur

zu weniger als 10 % an der Summe der Erlösströme für Carbon Black, Restgas und Heißluft

bei. Mehr als 87 % des austretenden Gesamterlösstroms der dargestellten Erzeugungseinheit

wird durch den Verkauf von Carbon Black erzielt.

0 €/h

200 €/h

400 €/h

600 €/h

800 €/h

1.000 €/h

1.200 €/h

1.400 €/h

RD ZZ RD


Reaktor

Abbildung 5.8: Balkendiagramm: Ursachen der Erlösvernichtung in Komponentengruppen

In der Abbildung 5.8 sind die Ursachen der Erlösvernichtung für die untersuchten Kom-

ponentengruppen der Anlage veranschaulicht. Die Wertigkeit der Exergievernichtung ist

in Komponenten stromaufwärts im Prozess höher als stromabwärts. Die qualitative Aussa-

ge über den Wert der Exergievernichtung mit der Kennzahl RD unterscheidet sich für die

untersuchte Anlage demnach deutlich von der Bewertung der Exergievernichtung mit der

Kennzahl CD der Kostenanalyse (siehe Abbildung 5.5). Dies ist damit zu begründen, dass

das Hauptprodukt, welches den größten Anteil an den Gesamterlösen ausmacht, im Erzeu-

gungsteil zunächst hergestellt und nach der Nachbehandlung aus dem Prozess entfernt wird.

Ineffizienzen solcher Komponenten, durch die das Hauptprodukt hindurch strömt, sind

somit grundsätzlich höherwertig als bei solchen Komponenten, die lediglich der Produktion

von geringwertigen Nebenprodukten dienen.

62


Tabelle 5.4: Ergebnisse der exergoökonomischen Erlösanalyse

Einheit Szenario I

Aufwände

rF,Sonstige Cn Hme2017

MWhex40,33

rF,Öle2017

MWhex44,72

rF,Antriebee2017

MWhex165,55

Produkte

rP,Elektrizität (Brutto)e2017

MWhex55,21

rP,Wärmee2017

MWhex60,48

rP,CBe2017

MWhex107,06

e2017t xxxx

Effizienzkennzahlen

εR.

RCB

e2017

e2017x

εR.

RP

e2017

e2017x

In der Tabelle 5.4 sind einige Ergebnisse der Erlösanalyse für die Gesamtanlage aufgelistet.

Die spezifischen Erlöse für die in Vorbrennkammern und dem Kessel 7 eingesetzten Kohlen-

wasserstoffe betragen rund 40 e2017MWhex

. Die Exergie vom Feedstock-Öl wird im Vergleich zur

Exergie der sonstigen Kohlenwasserstoffe in dieser Analyse als höherwertig eingestuft. Es

wird ein spezifischer Erlös für das Öl in Höhe von etwa 45 e2017MWhex

berechnet. Der spezifische

Erlös für überschüssige Elektrizität wird zu 35 e2017MWhex

abgeschätzt. Dieser Nettostrom dient

in der realen Anlage sowohl der Substitution von Elektrizitätsbezug weiterer Antriebe auf

dem Anlagengelände als auch dem Verkauf von Elektrizität am Strommarkt. Ein Teil der

insgesamt erzeugten Brutto-Elektrizität wird direkt zum Antrieb von Pumpen, Verdichtern

und Perlmaschinen im simulierten Prozess genutzt. Die Wertigkeit für die Exergie des elektri-

schen Stroms dieser prozessinternen Antriebe beträgt im Durchschnitt ca. 166 e2017MWhex

. Der

Anteil der prozessinternen Stromnutzung beträgt für das simulierte System rund 15% der

insgesamt erzeugten Brutto-Elektrizität. Somit ist die Elektrizität, welche von den Dampftur-

bineneinheiten erzeugt wird, gemittelt etwa 55 e2017MWhex

wert. Wird der Gesamterlösstrom auf

das Hauptprodukt umgelegt, ergibt sich ein spezifischer Erlös in Höhe von ca. xe/t (siehe

Tabelle 5.2). Werden die Erlöse aus dem Verkauf der Nebenprodukte hingegen nicht auf das

Hauptprodukt umgelegt, ergibt sich ein mittlerer spezifischer Erlös in Höhe von xe/t (siehe

Tabelle 5.4).

63


Die Effizienzkennzahl εR.

RCBsetzt den Erlösstrom des Hauptprodukts ins Verhältnis zum

Gesamtkostenstrom der Anlage. Das Verhältnis beträgt etwa x %. Die Kennzahl εR.

RPberück-

sichtigt neben dem Erlösstrom des Hauptprodukts ebenfalls die Erlöse der Nebenprodukte

als Nutzen. Für jeden ausgegebenen Euro wird mit der Anlage ein Gesamterlös erwirtschaftet,

der rund x % höher ist als die aufgewandten Gesamtkosten.

Luft

Erdgas

Reaktions-

zone

Feedstock

Öl

Vor-

quench

Quench

Wasser

Wasser

Wasser

Luft

Wasser

Filter

Carbon Black

Restgas

Heißluft

HeißluftÖl-

Vorwärmer

Vorbrenn-

kammer

Luftvor-

wärmer 1Luftvor-

wärmer 2

Ofen





Abbildung 5.9: Flussdiagramm: Spezifische Deckungsbeiträge in der Erzeugungseinheit

Deckungsbeiträge Die spezifischen Deckungsbeiträge sind in der Abbildung 5.9 als

beschriftete Pfeile im Fließbild der Erzeugungseinheit visualisiert. Dadurch, dass das Rest-

gas höhere Kosten verursacht hat, als es Erlöse durch die Produktion von Elektrizität und

Wärme erzielen kann, ist der exergiespezifische Deckungsbeitrag 2 vom Restgas am Austritt

des Filters der gezeigten Erzeugungseinheit negativ. Auch die Heißluft, welche aus dem

Luftvorwärmer 2 austritt, hat einen negativen spezifischen Deckungsbeitrag. Der höchste

64


Wert für den exergiespezifischen Deckungsbeitrag 2 weist der Carbon Black Strom auf. Die

spezifischen Deckungsbeiträge der Exergieströme bestehend aus Erdgas und Feedstock-Öl,

die im Reaktor der Erzeugungseinheit eingesetzt werden, sind mit rund 10,9 eMWh und 11 eMWh

etwa gleichwertig.

Luft

Erdgas

Reaktions-

zone

Feedstock

Öl

Vor-

quench

Quench

Wasser

Wasser

Wasser

Luft

Wasser

Filter

Carbon Black

Restgas

Heißluft

HeißluftÖl-

Vorwärmer

Vorbrenn-

kammer

Luftvor-

wärmer 1Luftvor-

wärmer 2

Ofen





Abbildung 5.10: Flussdiagramm: Deckungsbeitragsströme in der Erzeugungseinheit

In der Abbildung 5.10 ist ein Flussdiagramm der Erzeugungseinheit zu sehen, bei dem

die Breite der Pfeile entsprechend ihrer Wertverhältnisse skaliert sind. Pfeile, welche ne-

gative Deckungsbeitragsströme repräsentieren, sind rot dargestellt. Neben dem Restgas

weisen die aus dem Luftvorwärmer 2 und aus dem Ölvorwärmer austretenden Heißluft-

ströme negative Erlösströme auf. Das Feedstock-Öl hat von allen eintretenden Strömen

den höchsten Deckungsbeitrag-2-Strom mit rund 433 e2017h . Der im Filter getrennte Carbon

Black Deckungsbeitrag-2-Strom beträgt etwa 901 e2017h . Da alle Ströme im Kraft-Wärme-

Kopplungsteil der Anlage höhere Kosten verursachen, als sie an Erlösen in Form von Neben-

produkten erzielen können, sind sämtliche Deckungsbeitrag-2-Ströme dieses Anlagenteils

65


negativ und müssen durch den Verkauf von Carbon Black finanziert werden. Es ist davon

auszugehen, dass ein Herunterfahren des Kraftwerksteils zur Vermeidung von überschüssi-

ger Stromproduktion sowie das Ablassen von Heißluft und Abfackeln von Restgasen nicht

erlaubt, beziehungsweise unerwünscht ist. Es sollten daher Möglichkeiten untersucht wer-

den, wie die geringwertige Exergie aus dem Kraft-Wärme-Kopplungsteil der Anlage genutzt

werden kann, um den Prozess bei der Herstellung des höherwertigen Hauptproduktes zu

unterstützen.

-800 €/h

-600 €/h

-400 €/h

-200 €/h

0 €/h

200 €/h

400 €/h

600 €/h

800 €/h

OD ZZ OD


Reaktor

Abbildung 5.11: Balkendiagramm: Ursachen der Deckungsbeitragsvernichtung in Komponenten-gruppen

In der Abbildung 5.11 sind die Ursachen für die Deckungsbeitragsvernichtung durch Exer-

gievernichtung.

OD und Fixkosten.

Z k in den Komponentengruppen dargestellt. Sämtliche

Komponenten der KWK-Anlage weisen negative Werte für die Exergievernichtung auf. Das

liegt daran, dass die spezifischen Deckungsbeiträge der exergetischen Aufwände solcher

Komponenten negativ sind. Komponenten stromaufwärts der KWK-Anlage wie die Luftvor-

wärmer 2, deren Nutzen darin besteht, Heißluft zu produzieren, die zu einem großen Teil an

die KWK-Anlage geleitet wird, weisen ebenfalls negative Werte für die Exergievernichtung

auf.

66


Den größten Wert der Deckungsbeitragsminderung durch Exergievernichtung weisen die

Trommeltrockner auf. Dies liegt vor allem an dem gewählten Verfahren zur Erlöszuweisung

(siehe Gleichung 3.23) und einem daraus resultierenden hohen Wert für den spezifischen

Erlös und Deckungsbeitrag des exergetischen Aufwands. Laut der exergoökonomischen Ana-

lyse verursachen die Aufwandsströme am Ein- und Austritt der Wärmeübertrager exergiespe-

zifisch gleichhohe Kosten. Diese Aufwandsströme werden nach der Wärmeübertragung als

Abgas an die Umgebung abgegeben. Somit können diese Ströme, die zwar Kosten verursacht

haben, keinen Erlös am Markt erwirtschaften. Die in den Komponenten anfallenden Erlös-

ströme werden jedoch kostenverursachergerecht auf die eintretenden Exergieströme verteilt.

Da die eintretende Heißluft und das Restgas Kosten verursacht haben, werden ihnen in der

Analyse entsprechende Anteile an den Erlösen zugeteilt. Dies führt insgesamt dazu, dass

der gemittelte spezifische Deckungsbeitrag des exergetischen Aufwands der Trommeltrock-

ner mit rund oF = 75 e2017MWhex

den höchsten Wert von den relevanten Komponentengruppen

darstellt (siehe Anhang A.4 Tabelle 1.14).

Tabelle 5.5: Ergebnisse der exergoökonomischen Deckungsbeitragsanalyse

Einheit O II OI

Aufwände

oF,Sonstige Cn Hme2017

MWhex12,49 17,16

oF,Öle2017

MWhex15,27 20,63

oF,Antriebee2017

MWhex40,89 41,01

Produkte

oP,Elektrizität (Brutto)e2017

MWhex-69,45 -45,40

oP,Wärmee2017

MWhex-79,63 -59,60

oP,CBe2017

MWhexxx xx

e2017t xx xx

Effizienzkennzahlen

εO.

OCB

e2017

e2017xx xx

εO.

OP

e2017

e20170,42 0,68

In der Tabelle 5.5 sind die Ergebnisse der exergoökonomischen Deckungsbeitragsanalyse zu

sehen. Darin wird zwischen den Analysen des Deckungsbeitrags 1(OI

)und des Deckungsbei-

trags 2(OII

)unterschieden. Das Ergebnis beider Analysen deutet darauf hin, dass lediglich

67


das Hauptprodukt positive Deckungsbeiträge erwirtschaftet. Die Nebenprodukte weisen

hingegen sogar dann negative Deckungsbeiträge auf, wenn lediglich die variablen Kosten

für die Ermittlung der Kostenströme berücksichtigt werden. Da die spezifischen Deckungs-

beiträge der Antriebe positiv sind, ist die Erzeugung von Elektrizität zur Bedarfsdeckung

prozessinterner Antriebe wirtschaftlich. Anhand der Kennzahl εO.

OCBlässt sich die Aussage

ableiten, dass das Verhältnis zwischen dem Deckungsbeitrag des Hauptprodukts und den

variablen Kosten rund x % beträgt. Werden die Fixkosten ebenfalls in der Analyse berücksich-

tigt, reduziert sich das Verhältnis auf ca. x %. Der Deckungsbeitrag aller Produkte entspricht

etwa 42% der Summe aus fixen und variablen Kosten. Das Verhältnis des Deckungsbeitrags I

aller Produkte zu den variablen Kosten beträgt rund 68%.

68


5.1.3 Exergoökologische Analyse

Luft

Erdgas

Reaktions-

zone

Feedstock

Öl

Vor-

quench

Quench

Wasser

Wasser

Wasser

Luft

Wasser

Filter

Carbon Black

Restgas

Heißluft

HeißluftÖl-

Vorwärmer

Vorbrenn-

kammer

Luftvor-

wärmer 1Luftvor-

wärmer 2

Ofen





Abbildung 5.12: Flussdiagramm: Spezifische Umweltlasten in der Erzeugungseinheit

Analog zur Fließbilddarstellung monetärer Ströme sind in den Abbildungen 5.12 und 5.13 die

entsprechenden Fließbilder für die Erzeugungseinheit mit den spezifischen Umweltlasten

sowie den Umweltbelastungsströmen zu sehen. Dem Restgas am Austritt des Filters wird die

gemittelte Umweltlast des Exergieaufwands für Erdgas, Feedstock-Öl und Antriebsleistung

für den Verbrennungsluftverdichter zugewiesen. Daraus ergibt sich eine spezifische Umwelt-

last in Höhe von etwa 3,49 PtsGJex

. Die übrigen Umweltlasten, die nicht im Luftvorwärmer 2 an

die Heißluft übertragen werden, sind dem Carbon Black zuzuordnen. Es ergibt sich somit

eine spezifische Umweltlast für den dargestellten Carbon-Black-Strom in Höhe von rund

4,88 PtsGJex

.

Aus der Betrachtung der Reaktionszone geht hervor, dass diese den Umwelteinfluss reduziert.

Insgesamt tritt ein Umweltbelastungsstrom in Höhe von etwa 627 Ptsh aus dieser Komponente

aus. Die Summe der eintretenden Umweltbelastungsströme beträgt jedoch rund 630 Ptsh .

69


Luft

Erdgas

Reaktions-

zone

Feedstock

Öl

Vor-

quench

Quench

Wasser

Wasser

Wasser

Luft

Wasser

Filter

Carbon Black

Restgas

Heißluft

HeißluftÖl-

Vorwärmer

Vorbrenn-

kammer

Luftvor-

wärmer 1Luftvor-

wärmer 2

Ofen





Abbildung 5.13: Flussdiagramm: Umweltbelastungsströme in der Erzeugungseinheit K7

Hinzu kommt der Umwelteinfluss durch Herstellung, Betrieb, Wartung und Entsorgung

dieser Komponente in Höhe von ca. 0,07 Ptsh . Allerdings wird in der Reaktionszone ein Teil

des CO2 abgebaut, welches stromaufwärts in der Vorbrennkammer erzeugt wird. Der Um-

weltbelastungsstrom, der durch die Reaktionszone reduziert wird, ist daher größer als 3 Ptsh .

70


-20 Pts/h

80 Pts/h

180 Pts/h

280 Pts/h

380 Pts/h

480 Pts/h

580 Pts/h

BD Y B_PF

CB Erzeugung CB NachbehandlungCB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage

Y BD B𝑃𝑃𝑃𝑃

Reaktor

Abbildung 5.14: Balkendiagramm: Ursachen der Umweltlastgestehung in Komponentengruppen

In der Abbildung 5.14 sind die Ursachen von Umweltlasten relevanter Komponentengruppen

zu sehen, welche durch Irreversibilitäten.

B D, Herstellung, Betrieb, Wartung und Entsorgung.

Y sowie stoffliche Umwandlung.

BPF

herbeigeführt werden. Durch die stoffliche Umwand-

lung von CO2 in andere Stoffe, deren Schadensfaktoren in dieser Arbeit nicht bilanziert

werden30, wird in den Reaktionszonen insgesamt eine Umweltlast in Höhe von rund 18 Ptsh

abgebaut (siehe Anhang A.4 Tabelle 1.13).

Die spezifischen Umweltlasten exergetischer Aufwände nehmen üblicherweise in einem Pro-

zess stromabwärts zu. Die Produktion von CO2 sowie die Exergievernichtung führen in den

Brennern der Dampferzeuger dazu, dass diese Komponentengruppe den höchsten Einfluss

auf die Umweltbelastung aufweist. Die größten Werte für Umweltlasten durch Exergiever-

nichtung treten in den Wärmeübertragern der Dampferzeuger auf. Der Einfluss durch Her-

stellung, Betrieb, Wartung und Entsorgung von Komponenten ist für die meisten Komponen-

tengruppen vernachlässigbar gering. Lediglich in den Komponentengruppen Luftvorwärmer

sowie ”Sonstige Kraftwerk” sind die Werte für.

Y so groß, dass ihr Beitrag an der Umweltlast

30Die Entstehung und Vernichtung potentiell umweltgefährdender Stoffe (z.B. Wasserstoff, Kohlenstoffmonoxidund Acetylen [73]) wird in dieser Arbeit nicht analysiert.

71


in der Abbildung zu erkennen ist. In der KWK-Anlage sind es vor allem die getroffenen An-

nahmen über die Kondensatoren, die diese vergleichsweise hohen Werte herbeiführen. Für

die Kondensation wird weder eine direkte Wasserkühlung noch ein Nasskühlturm simuliert.

Es wird stattdessen angenommen, dass die Kondensation des 40-bar-Dampfkreislaufs mit

Hilfe einer Trockenkühlung und die Kondensation des 90-bar-Dampfkreislaufs mit Hilfe

einer Hybridkühlung erfolgen. Insgesamt wird für diese Komponenten ein hoher Material-

einsatz für Stahl, Kupfer und Zink abgeschätzt. Der Ressourcenbedarf dieser Metalle wird

mit vergleichsweise hohen Schadensfaktoren bewertet (siehe Anhang A.4 Tabelle 1.7).

Tabelle 5.6: Ergebnisse der exergoökologischen Analyse

Einheit Szenario I

Aufwände und eintretende StrömebF,Sonstige Cn Hm

PtsMWhex

12,81

bF,ÖlPts

MWhex12,31

.B F,Gesamt

Ptsh 3.862

.Y Gesamt

Ptsh 34,96

.B

PFGesamt

Ptsh 196,48

ProduktebP,Elektrizität (Brutto)

PtsMWhex

45,74

bP,WärmePts

MWhex57,22

bP,CBPts

MWhex21,82

mPtskg 207,50

Effizienzkennzahlen

εB.

mCB

kgCBmPts 3.444

εB.

E P

MWhexmPts 38,90

Die Tabelle 5.6 enthält eine Zusammenfassung exergoökologischer Ergebnisse der Gesamt-

anlage. Detaillierte Ergebnisse einzelner Komponentengruppen sind in der Tabelle 1.13 im

Anhang A.4 dieser Arbeit aufgelistet. Der größte Beitrag an der Umweltlast ist auf den Einsatz

der Rohstoffe zurückzuführen. Etwa 94 % der insgesamt erzeugten Umweltlast wird durch

den Einsatz von Erdgas und Öl verursacht. Die CO2- und CB-Emissionen sind lediglich für

weniger als 5 % der gesamten Umweltlast verantwortlich. Der Einfluss durch Herstellung,

Betrieb, Wartung und Entsorgung aller Komponenten ist auf die Entstehung der gesamten

72


Umweltlast mit einem Anteil von weniger als 1 % vernachlässigbar.

Je nach dem, mit welchen Annahmen die Analyse durchgeführt wird, ergeben sich unter-

schiedliche Werte für den Umwelteinfluss von Carbon Black. In der Literatur wird für die

Produktion von Carbon Black eine spezifische Umweltlast in Höhe von 180 mPtskgCB

angegeben

[57]. Für den Fall, dass die Schadensfaktoren durch eine potentielle Emission sämtlicher

Aufwandsströme (Erdgas und Öl) sowie der im Prozess entstehenden Umweltgifte (z.B.

CO, CO2, H2 und C2H2) bilanziert werden, kann die Entstehung und der Abbau potentiell

umweltgefährdender Stoffe auf der Komponentenebene analysiert werden [73]. Unter Ver-

nachlässigung von Einflüssen durch Herstellung, Betrieb, Wartung und Entsorgung aller

Komponenten sowie einer exergiebasierten Zuteilung der Umwelteinflüsse in den Filtern,

ergibt sich ein Umwelteinfluss für Carbon Black in Höhe von ca. 53 mPtskg . Diesem Wert liegt

die Annahme zugrunde, dass Umweltbelastungen durch potentiell umweltschädliche Stoffe

wie Erdgas und Öle in den Brennkammern und Reaktionszonen abgebaut werden. Auch wird

der Schadensfaktor des Hauptprodukts bei dieser Analyse nicht berücksichtigt. Wird ledig-

lich die Emission von CO2 berücksichtigt und alle anderen potentiell umweltschädlichen

Stoffe für die Berechnung von.

BPF

nicht bilanziert, ergibt sich hingegen für den untersuchten

Standort ein Umwelteinfluss für das Hauptprodukt in Höhe von rund 188 mPtskg [73].

Aus einer weiteren exergoökologischen Analyse, bei der die gleiche Anlage bei geringfügig

veränderter Produktion simuliert wird, ergeben sich zusätzliche Erkenntnisse [74]. Es wird

bei dieser Analyse ebenfalls kein Umwelteinfluss durch Herstellung, Betrieb, Wartung und

Entsorgung von Komponenten berücksichtigt. Als Ergebnis wird hier ein Umwelteinfluss

in Höhe von ca. 186 mPtskg festgestellt, wenn die exergiespezifische Umweltlast in den Filtern

exergiebasiert auf Carbon Black und das Restgas aufgeteilt wird. Neben dieser Zuweisung der

Umweltlasten im Carbon Black Filter wird zusätzlich der Fall untersucht, bei dem sämtliche

Umwelteinflüsse im Anlagenteil zur Carbon Black Erzeugung (exklusive des Umwelteinflus-

ses, der in den Luftvorwärmer 2 auf die Heißluft übertragen wird) auf das Hauptprodukt

Carbon Black bezogen werden. Die spezifische Umweltlast von Restgas wird in diesem Fall

am Austritt der Filter zu 0 PtsMWhex

festgelegt. Damit ergibt sich eine Umweltlast von Carbon

Black in Höhe von etwa 275 mPtskg [74].

In dieser Arbeit wird gegenüber den bisherigen Analysen neben dem Schadensfaktor der

Carbon Black Emissionen ebenfalls der Umwelteinfluss durch Herstellung, Betrieb, War-

73


tung und Entsorgung von Komponenten berücksichtigt (vergleiche [73, 74]). Des Weiteren

erfolgt die Zuteilung der Umweltlast in den Filtern in der Form, dass dem Restgas ein exer-

giegewichteter Mittelwert der Umweltlasten eingesetzter Aufwandsströme (Erdgas, Öl und

Verdichterantrieb) zugewiesen wird. Außerdem wird die spezifische Umweltlast der Elektri-

zität für Motoren nicht der Literatur entnommen. Stattdessen ergibt sich der Wert für die

prozessinternen Antriebe, wie im Abschnitt 4.2.2 beschrieben. Im Ergebnis ergibt sich für

die untersuchte Anlage mit den getroffenen Annahmen eine Umweltlast31 für Carbon Black

in Höhe von rund 207,5 mPtskg .

Das Nebenprodukt Elektrizität wird mit einer Umweltlast in Höhe von ca. 46 PtsMWhex

hergestellt.

Dieser Wert liegt über dem durchschnittlichen Wert für die europäische Elektrizitätserzeu-

gung mit 26 PtsMWhex

[57]. Die ausgekoppelte Wärme kann in dem vorliegenden Prozess mit

einer Umweltlast in Höhe von rund 57 PtsMWhex

produziert werden. Die Verbrennung von Erd-

gas in einem industriellen Ofen (>100 kW) wird mit einer Umweltlast für Wärme in Höhe

von 5,3 mPtsMJen

angegeben [57]. Wird derselbe Carnotfaktor wie für den untersuchten Prozess

angewandt um die Exergie der Wärme zu bestimmen, ergibt sich hieraus eine exergiebasierte

Umweltlast in Höhe von rund 61 PtsMWhex

.

Die Umwelteffizienz, mit der das Hauptprodukt erzeugt wird, beträgt etwa 3,4kgCBmPts . Für die

Kennzahl εB.

E Pwird ein Wert in Höhe von ca. 38,9 MWhex

mPts identifiziert.

31 Die Umweltbelastungsströme, die mit den Exergieverlusten an die Umgebung abgegeben werden, werdenanalog zum Vorgehen der exergoökonomischen Analyse exergiegewichtet auf die Produkte der Gesamtanla-ge umgelegt. Diese Vorgehensweise wird ebenfalls in den vorangegangenen exergoökologischen Analysengewählt [73, 74].

74


5.1.4 Ableitung von Maßnahmen zur Prozessverbesserung

Aus der Analyse des Bestandssystems lassen sich Maßnahmen zur Prozessverbesserung

ableiten. Die größten Potentiale werden dafür je nach Bewertungsmethode in den Berei-

chen der Carbon Black Erzeugungseinheiten sowie der KWK-Anlage identifiziert. Auch die

Trommeltrockner der Carbon Black Nachbehandlung weisen signifikante Ineffizienzen auf.

Maßnahmen zur Verbesserung dieser Komponentengruppe werden in dieser Arbeit jedoch

nicht untersucht. In den Reaktoren32 wird mehr als 15 % des insgesamt eingesetzten Exer-

gieaufwands vernichtet. Aus der exergoökonomischen Kostenanalyse geht hervor, dass die

Quenchprozesse auffällig niedrige Werte für den exergoökonomischen Faktor aufweisen.

Mehr als 99 % der Kostengestehung wird beim Quenchvorgang durch thermodynamische

Ineffizienzen hervorgerufen und weniger als 1 % durch Kosten für Herstellung, Betrieb und

Wartung dieses Prozessschrittes. Es wird daher im Szenario II eine Teilsubstitution von

Quenchwasser untersucht. Anstatt in der Hauptquenchzone Wasser einzudüsen und so die

Temperatur des Rauchgas-CB-Gemisches zu reduzieren, soll ein Dampferzeuger genutzt

werden, welcher einen Teil der bisherigen Exergievernichtung als nutzbare Exergie in Form

von Dampf aus dem Reaktor abführt. Dieser Dampf wird in den Dampfkreislauf der KWK-

Anlage eingekoppelt, um zusätzliches Produkt in Form von Elektrizität zu erzeugen.

Die größte Erlösvernichtung durch thermodynamische Ineffizienzen findet in den Reaktions-

zonen statt (siehe Abbildung 5.8). Da hier das Hauptprodukt entsteht, ist darauf zu achten,

dass die Produktqualität durch vorgeschlagene Maßnahmen nicht negativ beeinträchtigt

wird. Die Temperatur des Rauchgases im Reaktor sollte möglichst so hoch gewählt sein,

wie es das feuerfeste Material zulässt [49]. Die Verdampfungs- und Pyrolysegeschwindig-

keit sowie die Beschaffenheit von Primärpartikel werden durch hohe Temperaturen positiv

beeinflusst. In der bestehenden Anlage strömt Heißluft aus den Luftvorwärmern 1 mit Tem-

peraturen zwischen 516 °C bis 750 °C. Moderne Luftvorwärmer sind jedoch in der Lage, ein

Temperaturniveau der austretenden Heißluft von bis zu 900 °C zu erreichen. Mit Hilfe des

Szenarios III wird daher eine Produktion untersucht, bei der einige der Luftvorwärmer 1

Heißluft bei 900 °C bereitstellen.

Werden die herausgearbeiteten Maßnahmen zur Prozessverbesserung gemeinsam umge-

setzt, beeinflussen sie sich gegenseitig. Das Szenario IV dient daher dazu, das Verbesserungs-

potential durch eine Maßnahmenkombination der beiden Maßnahmen abzuschätzen.

Aus dem Fließbild der Deckungsbeitragsströme (siehe Anhang A.5 Abbildung ??) geht hervor,

32bestehend aus Vorbrennkammern, Reaktionszonen, Vor- und Hauptquenchzonen

75


dass sämtliche Exergieströme in der KWK-Anlage negativ sind. Es ist demnach betriebswirt-

schaftlich nicht sinnvoll diese Ströme herzustellen, da sie höhere Kosten verursachen als

Erlöse erzielen. Die Ergebnisse der exergoökonomischen Deckungsbeitragsanalyse zeigen

deutlich, dass die Exergieströme, welche im KWK-Teil der Anlage vorliegen, stromaufwärts

im Prozess eingesetzt werden sollten, um sich an einer effizienteren Herstellung des wertvol-

len Hauptproduktes zu beteiligen. Elektrizität, die an der Strombörse verkauft wird, kann

lediglich einen spezifischen Erlös in Höhe von 35 e2017MWhex

erzielen. Der Strom, der hingegen

für prozessinterne Antriebe genutzt werden kann, wird mit einem spezifischen Erlös in Höhe

von über 165 e2017MWhex

bewertet. Die Gestehungskosten des Stroms sind unabhängig davon,

wofür der Strom eingesetzt wird. Da er zu rund 125 e2017MWhex

produziert werden kann, sind

die exergiespezifischen Deckungsbeiträge für die prozessinterne Nutzung in Form von An-

triebsleistung im Durchschnitt positiv. Der Verkauf von elektrischem Strom weist hingegen

negative Deckungsbeiträge auf. Eine Heißlufttemperaturanhebung soll sich positiv auf den

Umsatz, die Ausbeute im Reaktor, und die Produktqualität des Carbon Blacks auswirken.

Mit dem Szenario V wird daher eine alternative Maßnahme zur Temperaturanhebung un-

tersucht, wenn diese mit Hilfe einer elektrischen Vorwärmung anstatt mit bestverfügbaren

Luftvorwärmern realisiert wird. Somit könnte Wärme theoretisch sogar oberhalb von 900 °C

bereitgestellt werden.

76

5.2 Analyse alternativer Szenarien


5.2.1 Teilsubstitution von Quenchwasser - Szenario II

Substitution von

Quenchwasser durch

Dampferzeuger

Abbildung 5.15: Skizze zu Szenario II

In dem bestehenden System wird derzeit ein Exergiestrom in Höhe von rund 8 MW durch

den Hauptquench vernichtet (siehe Anhang A.4 Tabelle 1.13). Dies entspricht etwa 2,6 % des

Exergieaufwands der Gesamtanlage. Rund 300 e2017h kostet diese Exergievernichtung und

ist dafür verantwortlich, dass die spezifischen Differenzen der Kosten, Erlöse, Deckungsbei-

träge und Umweltströme (r ,rr,ro und rb) der Hauptquenchzonen größer sind als 3 %. Die

Irreversibilitäten werden bei diesem Vorgang vor allem durch das Mischen unterschiedlicher

Stoffe sowie durch den Wärmetransport vom Restgas an das zugegebene Wasser, bei einer

Temperaturdifferenz von mehr als 1000 K, verursacht. Der exergoökonomische Faktor ist klei-

77


ner als 1 %. In diesem Abschnitt der Arbeit wird daher untersucht, wie sich die Kennzahlen

des Systems verändern, wenn die Abkühlung des Restgas-CB-Gemisches dazu genutzt wird,

Wasser in einem Dampferzeuger zu verdampfen. Die Motivation zur Untersuchung dieses

Prozessdesigns ergibt sich aus der Exergieanalyse, der exergoökonomischen Kostenanalyse

sowie der exergoökologischen Analyse des Bestandssystems. Es ist zu erwarten, dass sich die

Exergie-, Kosten- und Umwelteffizienzkennzahlen der Gesamtanlage durch diese Maßnah-

me verbessern. Schließlich tritt beim Einsatz von Dampferzeugern keine Exergievernichtung

durch Mischung auf und die Temperaturdifferenz der Wärmeübertragung wird um mehr

als 100 K gesenkt. Zudem ist davon auszugehen, dass der Exergieverlust an die Umgebung

durch den verringerten Wasseranteil in den Restgas- beziehungsweise in den Abgasströ-

men verringert wird. Dabei soll Dampf erzeugt werden, der die gleichen Parameter wie der

Frischdampf des Kessels 6 aufweist. So kann er zwischen dem Kessel 6 und der Turbine 2

in den bestehenden Dampfkreislauf auf hohem Druckniveau eingekoppelt werden (siehe

Abbildung 2.5). Es wird davon ausgegangen, dass lediglich Wasser für den Hauptquench

substituiert werden kann. Da der Vorquench vor allem dazu dient, gewünschte Produkts-

pezifikationen zu erhalten, wird die Wassereindüsung an dieser Stelle der Simulation nicht

verändert. Um weiterhin den Temperaturschutz der Luftvorwärmer 1 zu gewährleisten, wird

in der Simulation stromabwärts der Dampferzeuger Wasser in das Restgas-CB-Gemisch

gegeben, um die Temperatur um 10 K zu senken. Die Simulation dieses Szenarios erfolgt

ansonsten unter den gleichen Annahmen, Komponenten- und Reglereinstellungen wie für

die bestehende Anlage im Szenario I.

5.2.1.1 Exergieanalyse Szenario II

Die Ergebnisse der Exergieanalyse sind in der Tabelle 1.17 für die wesentlichen Komponen-

tengruppen im Anhang A.4 dieser Arbeit dokumentiert. Im Szenario II weist die Gesamt-

anlage eine Reduzierung der Exergievernichtung von mehr als 2% gegenüber der Anlage

im Szenario I auf. In der Abbildung 5.16 sind die Exergievernichtungsquotienten relevan-

ter Komponentengruppen der beiden Szenarien nebeneinander aufgetragen. Es ist darin

eine deutliche Verringerung des Quotienten in den Hauptquenchzonen zu erkennen. In

der Bestandsanlage wird rund 2,6% des gesamten Exergieaufwands im Bereich der Haupt-

quenchzone vernichtet. Dieser Wert wird durch die simulierte Kombination von Wasser-

zugabe und Dampferzeuger zur Absenkung der Temperatur des Restgas-CB-Gemisches

auf 1,6% reduziert. Da in dem Szenario II weniger Wasser in das Restgas gegeben wird,

78


0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

Exe

rgie

vern

icht

ungs

quot

ient

Szenario I Szenario II


𝑦𝑦 𝐷𝐷

Reaktor

Abbildung 5.16: Balkendiagramm: Ergebnisvergleich von Exergieanalysen

sinken dessen Wärmekapazität und Volumenstrom gegenüber dem Szenario I. Um das

Restgas-CB-Gemisch auf die gleiche Temperatur wie im bestehenden System zu kühlen, kön-

nen kleinere Luftvorwärmer 2 eingesetzt werden. Deren Exergievernichtungsquotient sinkt

ebenso wie der in den zugehörigen Luftverdichtern und den Filtern. Die molenspezifische

chemische Exergie des Restgases steigt durch den verringerten Wassergehalt an. Im Ergebnis

sinkt der Exergievernichtungsquotient der Brenner in den Dampferzeugern. Die übrigen

Komponentengruppen der KWK-Anlage weisen hingegen eine Zunahme des Exergiever-

nichtungsquotienten auf. Dies ist damit zu begründen, dass im Szenario II mehr Dampf im

Wasserdampfkreislauf zirkuliert. Der Dampfmassenstrom des 90-bar-Dampfkreislaufs wird

von rund 76 th auf ca. 95 t

h angehoben.

Die Tabelle 5.7 enthält einige Ergebnisse der Exergieanalyse für die Gesamtanlage der beiden

Szenarien I und II. Wegen des verringerten Restgasmassenstroms wird im Szenario II weniger

Wasser benötigt, um Filter und Wärmeübertrager vor hohen Temperaturen zu schützen. Des

Weiteren kann das Restgas-CB-Gemisch mit einem geringeren Luftmassenstrom in den Luft-

vorwärmern 2 auf die gleiche Temperatur wie im Szenario I heruntergekühlt werden. Da die

79


Tabelle 5.7: Ergebnisvergleich von Exergieanalysen - Szenario II

Einheit Szenario I Szenario II


E F,Sonstige Cn Hm MWex 47,07 47,07.

E F,Öl MWex 260,51 260,51.

E F,Andere MWex 5,33 5,01.

E F,Gesamt MWex 312,91 312,59


E P,Elektrizität (Netto) MWex 23,64 29,33.

E P,Wärme MWex 1,89 0,95.

E P,CB MWex 133,74 133,74.

E P,Gesamt MWex 159,27 164,02.

E L,Gesamt MWex 19,45 17,21

KennzahlenεGesamt % 50,90 52,47Veränderung 3,1 %yL,Gesamt % 6,22 5,51Veränderung -11,4 %

Zusammensetzung von Luft gegenüber der Umgebungsdefinition nach Szargut vereinfacht

angenommen wird und das ins System eingetragene Wasser als reines Wasser betrachtet

wird, weisen die zugehörigen Stoffströme geringe Werte für die chemische Exergie auf. Auf-

grund des geringeren Bedarfs dieser Stoffe reduziert sich der Wert.

E F,Andere im Szenario II um

ca. 0,2MWex gegenüber dem Szenario I. Der Bedarf an Öl, Erdgas sowie die Exergieströme,

die durch weitere Prozesse am Standort in das untersuchte System eingekoppelt werden,

verändern sich nicht durch die Substitution des Hauptquenches.

Der zusätzlich entstehende Dampf wird in den Hochdruckdampfkreislauf eingekoppelt,

dessen Nutzen darin besteht, Strom zu produzieren. Der Überschuss an Elektrizität steigt um

rund 5,7MWex. Dies liegt zum einen an der zusätzlichen Stromproduktion und zum anderen

daran, dass aufgrund der verringerten Restgasvolumenströme weniger Antriebsleistung für

Verdichter benötigt wird. Im bestehenden System wird der Entgaser der KWK-Anlage mit

Dampf aus dem 8 bar Netz versorgt. Da der Kondensatmassenstrom ansteigt und mehr

8 bar Dampf für die Vorwärmung benötigt wird, steht weniger Dampf zur Auskopplung von

Wärme zur Verfügung. Die Wärmeleistung sinkt daher von rund 1,9MWex auf ca. 1MWex. Der

Exergieproduktstrom von Carbon Black wird nicht durch die Substitution des Hauptquen-

ches beeinflusst und der gesamte Exergieverluststrom wird um mehr als 2MWex reduziert.

80


Das ergibt eine Verbesserung des Exergieverlustquotienten von über 11%. Die anhand der

Exergieeffizienz gemessene thermodynamische Performance der Gesamtanlage wird um

rund 3% gesteigert.

81


5.2.1.2 Exergoökonomische Analyse Szenario II

0 €/h

200 €/h

400 €/h

600 €/h

800 €/h

1000 €/h

1200 €/h

1400 €/h

1600 €/h



𝐶𝐶 𝐷𝐷+𝑍𝑍

Reaktor

Abbildung 5.17: Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen

Kosten In der Abbildung 5.17 sind Summen aus CD und Z für relevante Komponenten-

gruppen der beiden Szenarien I und II zu sehen. Die Summe der beiden kostenverursa-

chenden Ströme CD und Z ist für die Restgaskühlung im Szenario II größer als der Wert

im Szenario I. Zwar können die variablen Kosten für die Produktstromkühlung im Reaktor

um mehr als 117 e2017h gesenkt werden (siehe Anhang A.4 Tabelle 1.13 und Tabelle 1.17).

Jedoch wird die Kostenersparnis an dieser Stelle des Prozesses durch zusätzliche Fixkosten

für die Dampferzeuger in Höhe von rund 262 e2017h erkauft. Andere Komponenten im An-

lagenteil zur Carbon Black Erzeugung können aufgrund der verringerten Massenströme

kleiner gewählt werden und weisen daher geringere Komponentenfixkosten auf. Neben

den zusätzlichen Kosten für Dampferzeuger, erhöhen sich die Komponentenfixkosten im

Dampfkreislauf.

Die Ergebnisse der exergoökonomischen Kostenanalyse für die Gesamtanlage beider Szenari-

en sind in der Tabelle 5.8 aufgelistet. Die Kosten für die Dampferzeuger sowie die zugehörigen

82


Tabelle 5.8: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario II


Aufwände


MWhex27,84 27,84

cF,Öle2017

MWhex29,45 29,45

cF,Antriebee2017

MWhex124,66 130,27

Produkte


MWhex124,66 130,27

cP,Wärmee2017

MWhex140,11 144,47

cP,CBe2017

MWhexxx xx


.mCB

gCB

e2017xx xx

Veränderung -2,8 %εC

.E P

kWhex

e201714,83 14,84

Veränderung 0,1 %

Pumpen werden dem Wasserdampfstrom zugerechnet. Da die Komponenten im Bereich der

KWK-Anlage gegenüber dem bestehenden System zusätzlich größer ausfallen, entstehen

hier höhere durch Komponenten verursachte Kostenströme. Die Komponenten entlang des

Restgaswegs können aufgrund des verringerten Volumenstroms kleiner gewählt werden.

Insgesamt steigen die spezifischen Produktgestehungskosten von Elektrizität und Wärme

an. Die spezifischen Hauptproduktkosten können hingegen gesenkt werden, weil ein Teil

der Kosten in den Reaktoren an den Wasserdampf abgegeben wird. Gleichzeitig sinkt die

Exergievernichtung in den Reaktoren, wodurch die spezifischen Kosten des austretenden

Restgas-CB-Gemisches zusätzlich sinken. Da jedoch die Kosten insgesamt zunehmen, der

produzierte Carbon Black Massenstrom aber konstant bleibt, sinkt die Effizienzkennzahl

εC.

mCBum rund 2,8%. Das Verhältnis aus gesamtem Exergieproduktstrom und Gesamtkosten-

strom verbessert sich mit ca. 0,1% nur geringfügig.

Erlöse In der Abbildung 5.18 sind die Ursachen der Erlösvernichtungen je Komponenten-

gruppe der beiden Szenarien I und II aufgetragen. Die Summe aus RD und Z , die durch eine

Kühlung des Restgas-CB-Gemisches im Reaktor verursacht wird, wird durch den Einsatz

eines Dampferzeugers reduziert. Zum einen sinkt der Exergievernichtungsstrom an dieser

83


0 €/h

200 €/h

400 €/h

600 €/h

800 €/h

1,000 €/h

1,200 €/h

1,400 €/h



𝑅𝑅 𝐷𝐷+𝑍𝑍

Reaktor

Abbildung 5.18: Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen

Stelle des Prozesses. Hinzu kommt, dass die Exergie, die vernichtet wird, weniger Wert ist als

im Bestandssystem. Dieser Effekt ist ebenfalls an dem Vergleich der Ergebnisse der beiden

Szenarien für die Reaktionszonen, Vorbrennkammern und Vorquenchzonen zu sehen. Diese

Komponentengruppen weisen die gleichen Exergievernichtungsquotienten wie im Szenario I

auf (siehe Abbildung 5.16 beziehungsweise Anhang A.4 Tabelle 1.13 und 1.17). Da jedoch

ein größerer Anteil der Exergie für die Produktion von Elektrizität und Wärme genutzt wird,

sinkt der Wert für die exergiespezifischen Erlöse im Reaktor.

Einige Ergebnisse der exergoökonomischen Erlösanalyse sind in der Tabelle 5.9 für die Ge-

samtanlagen der Szenarien I und II dargestellt. Der Gesamterlösstrom des Szenarios II ist

um etwa 161 e2017h größer, als der entsprechende Wert für das Szenario I. Allerdings fallen

gegenüber dem Bestand zusätzliche Fixkosten durch Dampferzeuger und Pumpen sowie

höhere Komponentenfixkosten im Bereich der KWK-Anlage an. Diese können nicht mit Kos-

tenersparnissen aufgrund verringerter Komponentenfixkosten im Restgasweg aufgewogen

werden..

Z Gesamt ist daher um mehr als 300 e2017h größer als im Szenario I. Der Carbon Black

Erlösstrom ist in beiden Szenarien gleich. Aufgrund der erhöhten Fixkosten für Investition,

Betrieb und Wartung verringert sich die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage gemessen an

84


Tabelle 5.9: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario II


Aufwände


MWhex40,33 40,02

rF,Öle2017

MWhex44,72 44,20

rF,Antriebee2017

MWhex165,55 183,61

.RF,Gesamt

e2017h 13.621 13.476

.Z Gesamt

e2017h 1.639 1.945

Produkte.

RP,Gesamte2017

h 15.260 15.421


MWhex55,21 53,08

rP,Wärmee2017

MWhex60,48 60,48

rP,CBe2017

MWhexxx xx

e2017t xx xx

Effizienzkennzahlen

εR.

RCB

e2017

e2017xx xx

Veränderung -2,8 %

εR.

RP

e2017

e20171,42 1,40

Veränderung -1,7 %

der Erlös-Kennzahl εR.

RCBum nahezu 3% und die Wirtschaftlichkeit des Systems gemessen an

dem Verhältnis aus Gesamtprodukterlösstrom und Gesamtkostenstrom wird um etwa 2%

verschlechtert.

Deckungsbeiträge Einige der Komponentengruppen weisen positive Werte für Z , aber

negative Werte für OD auf. Da sich aus der Summe der beiden Ströme für solche Gruppen

keine qualitativ eindeutigen Aussagen ableiten lassen, sind in der Abbildung 5.19 lediglich

die Werte für die Deckungsbeitragsvernichtung durch thermodynamische Ineffizienzen ab-

gebildet. Für die Ermittlung der Deckungsbeiträge werden dabei die Fixkosten berücksichtigt,

sodass es sich um die Werte für den Deckungsbeitrag 2 handelt. Wie in der exergoökono-

mischen Deckungsbeitragsanalyse des bestehenden Systems festgestellt, weisen sämtliche

Komponenten der KWK-Anlage auch im Szenario II negative Werte für die Deckungsbei-

85


-800 €/h

-600 €/h

-400 €/h

-200 €/h

0 €/h

200 €/h

400 €/h

600 €/h



Reaktor

800 €/h

Abbildung 5.19: Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanaly-sen

tragsvernichtung durch Exergievernichtung auf, weil die spezifischen Deckungsbeiträge

exergetischer Aufwandsströme in diesem Teil der Anlage negativ sind. Da der Nutzen der

Dampferzeuger in den Reaktoren darin besteht, der KWK-Anlage Dampf bereit zu stellen,

ist für diese Komponente ebenfalls ein negativer Wert für die Deckungsbeitragsvernichtung

durch Exergievernichtung zu sehen.

In der Tabelle 5.10 sind die Ergebnisse der exergoökonomischen Deckungsbeitragsanalysen

der Szenarien I und II aufgelistet. Durch die veränderten Kostenströme im Reaktor kann

das Hauptprodukt Carbon Black zu geringeren Kosten als im Szenario I produziert werden.

Die spezifischen Erlöse für die Produkte sind in beiden Szenarien gleich. Dies führt dazu,

dass der Deckungsbeitragsstrom von Carbon Black im Szenario II größer als im Szenario I

ist. Auch die Anlageneffizienz gemessen an der Kennzahl εO.

OCBist größer. Sie erhöht sich

um ca. 3,7% gegenüber dem Wert im Szenario I. Werden jedoch die Deckungsbeiträge der

Nebenprodukte ebenfalls berücksichtigt, verringert sich die Deckungsbeitragseffizienz der

Gesamtanlage um fast 6%.

86


Tabelle 5.10: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario II


Aufwände


MWhex12,49 12,18

oF,Öle2017

MWhex15,27 14,75

oF,Antriebee2017

MWhex40,89 53,34

.OF,Gesamt

e2017h 4.517 4.372

.Z Gesamt

e2017h 1.639 1.945

Produkte


MWhex-69,45 -77,19

oP,Wärmee2017

MWhex-79,63 -83,99

oP,CBe2017

MWhexxx xx

e2017t xx xx

Effizienzkennzahlen

εO.

OCB

e2017

e2017xx xx

Veränderung 3,7 %

εO.

OP

e2017

e20170,42 0,40

Veränderung -5,9 %

5.2.1.3 Exergoökologische Analyse Szenario II

Die Darstellung von Ergebnissen der exergoökologischen Analyse erfolgt analog zu denen

der Exergieanalyse sowie der exergoökonomischen Analyse. In der Abbildung 5.20 ist ein

Diagramm zu sehen, in dem für die beiden Szenarien I und II je Komponentengruppe die

Summe aus den Termen BD, Y und B PF als Balken dargestellt ist. Im qualitativen Vergleich zur

exergoökonomischen Kostenanalyse lässt sich für die Komponentengruppen Hauptquench-

zonen und Dampferzeuger im Reaktor eine gegensätzliche Aussage ableiten. Die Substitution

des Hauptquenches durch Dampferzeuger führt an dieser Stelle im Reaktor zu einer Verrin-

gerung der Umweltbelastung. Dies ist damit zu begründen, dass die zusätzliche Umweltlast

durch YDampferzeuger mit rund 0,7 Ptsh deutlich geringer ist als die Umweltlast, die durch ver-

ringerte Exergievernichtung vermieden wird (siehe Anhang A.4 Tabelle 1.17). Die Differenz

des kumulierten Umweltbelastungsstroms BD,Hauptquench+BD,Dampferzeuger zwischen den bei-

den Szenarien beträgt ca. 47,5 Ptsh . Für die übrigen Komponentengruppen ergeben sich die

gleichen qualitativen Schlussfolgerungen wie bei der exergoökonomischen Kostenanalyse.

87


0 Pts/h

100 Pts/h

200 Pts/h

300 Pts/h

400 Pts/h

500 Pts/h

600 Pts/h



B D+𝑌𝑌

+ 𝐵𝐵

𝑃𝑃𝑃𝑃

Reaktor

Abbildung 5.20: Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen

Die Umweltbelastungsströme der Komponenten stromaufwärts vom Hauptquench werden

durch die Prozessänderung nicht sichtbar beeinflusst. Die Umweltbelastungsströme der

Komponenten im Restgasweg sind wegen des verringerten Wasseranteils und somit reduzier-

ten Volumenstroms geringer als im Szenario I. Die Umweltlasten im Wasserdampfkreislauf

der KWK-Anlage nehmen wegen des erhöhten Wasserdampfmassenstroms zu.

In der Tabelle 5.11 sind die Ergebnisse der exergoökonomischen Analyse der beiden Szenari-

en I und II einander gegenüber gestellt. Das Szenario II weist im Vergleich zum Szenario I

einen erhöhten Umweltbelastungsstrom auf. In Summe ist der insgesamt verursachte Um-

weltbelastungsstrom um etwa 1,3 Ptsh größer. Da in diesem Szenario ein geringerer Umwelt-

lastenstrom auf das Hauptprodukt umgelegt wird, verringert sich bilanziell die spezifische

Umweltlast von Carbon Black und die spezifischen Umweltlasten der Nebenprodukte neh-

men zu. Da sich der Massenstrom von Carbon Black jedoch durch die Prozessänderung

nicht ändert, der gesamte Umweltbelastungsstrom aber zunimmt, verschlechtert sich die

Kennzahl εB.

mCBgegenüber der bestehenden Anlage um weniger als 0,1%. Wird der gesamte

Exergieproduktstrom durch den gesamten Umweltbelastungsstrom geteilt, ist eine Um-

welteffizienzverbesserung von ca. 3% zu erkennen.

88


Tabelle 5.11: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario II


AufwändebF,Sonstige Cn Hm

PtsMWhex

12,81 12,81

bF,ÖlPts

MWhex12,31 12,31

.B F,Gesamt

Ptsh 3.862 3.862

.Y Gesamt

Ptsh 34,96 36,29

.B

PFGesamt

Ptsh 196,48 196,47


PtsMWhex

45,74 44,84

bP,WärmePts

MWhex57,22 58,03

bP,CBPts

MWhex21,82 20,45

mPtskg 207,50 194,52

Effizienzkennzahlen

εB.

mCB

kgCBmPts 3.444 3.443

Veränderung > -0,1 %εB

.E P

MWhexmPts 38,90 40,05

Veränderung 3,0 %

5.2.1.4 Diskussion Szenario II

Die Ergebnisse der verschiedenen Bewertungskriterien der exergiebasierten Methoden, erge-

ben für den gezeigten Szenarienvergleich ein uneinheitliches Bild. Sowohl die Ergebnisse

der Exergieanalyse als auch die der exergoökonomischen Kostenanalyse und die der exer-

goökologischen Analyse deuten darauf hin, dass die Effizienz des Gesamtsystems durch

die untersuchte Hauptquenchsubstitution verbessert wird. Aufgrund der verbesserten Exer-

gieeffizienz (um etwa 3%) und des verringerten Exergieverlustquotienten (um rund 11%),

verbessert sich sowohl die Kosteneffizienz (um ca. 0,1%) als auch die ökologisch bewertete

Effizienz, mit der das exergetische Gesamtprodukt hergestellt werden kann (um etwa 3%).

Werden die Exergieströme des Prozesses jedoch mit Erlösen und Deckungsbeiträgen be-

wertet, ergibt sich ein anderes Bild. Die zusätzliche Bereitstellung von Wasserdampf zur

Produktion von zusätzlicher Elektrizität ergibt demnach keinen gesamtwirtschaftlichen

Vorteil. Die Deckungsbeitragseffizienz, bezogen auf das Gesamtprodukt, verschlechtert sich

gegenüber dem bestehenden System aus Szenario I um nahezu 6%, da sich die Erlöseffizienz

um fast 2% verringert.

89


Die aufgezeigten Zahlenwerte gelten ausschließlich für das untersuchte System und für

die beobachteten Marktpreisverhältnisse im Jahr 2017. Eine veränderte Prozessführung,

bei der zusätzlicher Dampf zur Stromproduktion hergestellt wird, kann aus Sicht der Erlös-

und Deckungsbeitragsanalyse theoretisch gesamtwirtschaftlich vorteilhaft werden, wenn

sich die Marktpreisverhältnisse signifikant ändern oder wenn die Wertigkeit der bisherigen

Nebenprodukte dadurch erhöht wird, dass diese in den Prozess zurückgeführt werden, um

die Effizienz der Hauptproduktherstellung zu steigern.

90


5.2.2 Anhebung der Verbrennungslufttemperatur durch Austauscheiniger Luftvorwärmer 1 - Szenario III

Austausch einiger

Luftvorwärmer 1

Abbildung 5.21: Skizze zu Szenario III

Mit Hilfe des Szenarios III wird nachfolgend die Gesamtanlage dahingehend untersucht, wie

sich die Verwendung bestverfügbarer Luftvorwärmer 1 auf das System auswirkt. Die Skizze

in der Abbildung 5.21 veranschaulicht die Prozessänderung. Im bestehenden System werden

Luftvorwärmer eingesetzt, die in der Lage sind, die Verbrennungsluft auf Temperaturen

zwischen 520 °C und 750 °C vorzuwärmen. Damit die Wärmeübertrager nicht beschädigt

werden, muss das Restgas-CB-Gemisch mit Wasser im Bereich der Hauptquenchzonen ent-

sprechend weit herunter gekühlt werden. Das aus den Reaktoren austretende Restgas weist

Temperaturen zwischen 720 °C und 890 °C auf. Mit Hilfe bestverfügbarer Technik sollte es

möglich sein, Verbrennungslufttemperaturen von mehr als 900 °C zu erreichen. Dazu wer-

den diese Luftvorwärmer 1 in der Simulation mit einer heißgasseitigen Restgastemperatur

91


von 1.000 °C gefahren. Es wird weniger Wasser zur Abkühlung des Restgas-CB-Gemisches

benötigt als im bestehenden System. Daher ist zu erwarten, dass die Exergievernichtung

durch die Restgaskühlung im Reaktor abnimmt. Der Wasseranteil im Restgas wird redu-

ziert. Dies wiederum sollte in einer Verringerung des Exergieverluststroms resultieren. Wird,

wie in der vorliegenden Simulation, das Verhältnis aus Luft- und Brennstoffmolenstrom

in den Vorbrennkammern konstant gehalten, ergibt sich am Eintritt der Reaktionszonen

eine Gaszusammensetzung, die etwa der des Szenarios I entspricht33. Die Temperatur der

Reaktionszone wird folglich angehoben, was sich wiederum positiv auf die Verdampfungs-

und Pyrolysegeschwindigkeit des Öls auswirkt. Somit lässt sich ein höherer Öl-Massenstrom

als bei geringeren Temperaturen umsetzen. Es werden mehr Primärpartikel mit kleinerem

Durchmesser erzeugt. Insgesamt kann dies genutzt werden, um die Produktqualität zu ver-

bessern. Außerdem wird die Reaktionskinetik in den Reaktionszonen positiv beeinflusst,

sodass die Kohlenstoffausbeute zunimmt.

Um die Auswirkung der beschriebenen Prozessanpassung zu untersuchen, stehen für vier

Erzeugungseinheiten detailliert simulierte Ergebnisse zur Verfügung. Die restlichen Erzeu-

gungseinheiten werden so wie im Szenario I abgebildet. In der Simulation werden lediglich

solche Erzeugungseinheiten mit bestverfügbaren Luftvorwärmern ausgestattet, die im beste-

henden System bereits auf vergleichsweise hohen Temperaturniveaus gefahren werden.

33 Es handelt sich um eine exotherme Verbrennungsreaktion, bei der davon ausgegangen werden kann, dass amAustritt der Vorbrennkammer chemisches Gleichgewicht herrscht. Aufgrund der Verbrennungsreaktion kannin erster Näherung unabhängig von der Temperatur ein vollständiger Umsatz des Brennstoffs angenommenwerden.

92


5.2.2.1 Exergieanalyse Szenario III

0%

1%

2%

3%

4%

5%

6%

7%

8%

9%

10%

Exe

rgie

vern

icht

ungs

quot

ient

Szenario I Szenario III


𝑦𝑦 𝐷𝐷

Reaktor

Abbildung 5.22: Balkendiagramm: Ergebnisvergleich von Exergieanalysen

In der Abbildung 5.22 sind die Exergievernichtungsquotienten yD relevanter Komponenten-

gruppen für die Szenarien I und III zu sehen. Daraus geht hervor, dass sich die Exergiever-

nichtungsquotienten der Luftvorwärmer sowie der Komponentengruppen in den Reaktoren

gegenüber dem Szenario I aufgrund des erhöhten Temperaturniveaus verringern. Insbe-

sondere die Hauptquenchzonen weisen im Verhältnis zum Gesamtexergieaufwand eine

reduzierte Exergievernichtung auf. Der erhöhte Öl-Massenstrom führt zu einem höheren

Massenstrom des Restgas-CB-Gemisches. Luftvorwärmer 2 sowie zugehörige Verdichter

und die Filter sind daher größer zu dimensionieren. Der Exergievernichtungsquotient der

Komponentengruppe, die unter dem Begriff ”Sonstige Produktion” zusammengefasst ist,

nimmt zu.

Die Veränderungen der Exergievernichtungsquotienten sind gegenüber dem Bestandssys-

tem im Bereich der CB Nachbehandlung vernachlässigbar.

Der Brenner des Kessels 6 wird im Szenario III mit einem geringeren Restgasmassenstrom

als im Szenario I gefahren. Da der Wassergehalt vom Restgas niedriger ist, nimmt dessen

93


massenspezifische chemische Exergie von rund 3,1 MJexkg auf etwa 3,4 MJex

kg zu. Die Zufuhr von

Heißluft dient in der Simulation als Stellgröße zur Regelung der Sauerstoffkonzentration im

Abgasstrom vom Kessel. Da der Massenstrom von Sekundärluft aus der Umgebung konstant

gehalten wird, erhöht sich der Anteil der zugeführten Heißluft. Insgesamt steigt die simulierte

adiabate Verbrennungstemperatur des Brenners im Kessel 6 von ca. 1226 °C auf rund 1260 °C

an. In den Brennern der übrigen Kessel sind die Temperaturdifferenzen noch größer. Das

erhöhte Temperaturniveau führt zu einer Verringerung des Exergievernichtungsquotienten

der Brenner.

Die Frischdampfparameter auf der kalten Seite der Wärmeübertrager im Dampferzeuger

werden gegenüber denen der bestehenden Anlage nicht verändert. Da jedoch das Restgas

auf der heißen Seite auf einem höheren Temperaturniveau vorliegt, erhöht sich die Tempe-

raturdifferenz, bei der die Wärme übertragen wird. Dies wiederum führt zu einer erhöhten

Exergievernichtung in den Wärmeübertragern der KWK-Anlage, die mit den Restgasen in

Berührung kommen.

Wegen des erhöhten Dampfmassenstroms erhöht sich auch die Exergievernichtung der

Dampfturbinen um rund 5% (siehe Anhang A.4 Tabelle 1.13). Allerdings ist der exergetische

Aufwand der Gesamtanlage etwa 7% größer als im Szenario I (siehe Anhang A.4 Tabelle 1.19).

Insgesamt verringert sich daher der Exergievernichtungsquotient der Dampfturbinen.

Wie den Ergebnissen für die Gesamtanlage in der Tabelle 5.12 zu entnehmen ist, hat der

Einsatz bestverfügbarer Luftvorwärmer einen signifikanten Einfluss auf die Exergieströme in

der Anlage. Aufgrund der erhöhten Reaktortemperaturen wird im Szenario III etwa 21MWex

mehr Öl als im Szenario I eingesetzt. Die Exergieströme der Produkte nehmen zu, sodass

insgesamt mehr als 15MWex zusätzliches Produkt erzeugt wird. Obwohl ein höherer Ölmas-

senstrom umgesetzt wird und der Restgasmassenstrom gegenüber dem bestehenden System

ebenfalls zunimmt, führt der verringerte Wasseranteil im Restgas zu einer Reduzierung des

Exergieverluststroms. Der Exergieverlustquotient verbessert sich gegenüber Szenario I um

rund 7%. Die Exergieeffizienz der Gesamtanlage wird um nahezu 3% verbessert.

94


Tabelle 5.12: Ergebnisvergleich von Exergieanalysen - Szenario III

Einheit Szenario I Szenario III



E F,Öl MWex 260,51 281,46.






E P,CB MWex 133,74 146,58.




5.2.2.2 Exergoökonomische Analyse Szenario III

Kosten Um die Auswirkungen der Prozessänderung auf die Kostengestehung in den Kom-

ponentengruppen mit dem bestehenden System vergleichen zu können, ist in der Abbildung

5.23 die Summe aus.

C D und.

Z der Komponentengruppen beider Szenarien in Form von

Balken dargestellt. Zwar sinkt der Exergievernichtungsquotient in den Luftvorwärmern

gegenüber dem Szenario I. Da jedoch die Massenströme von Öl, Carbon Black und Rest-

gas zunehmen34, wird ein größerer Exergiestrom in den Luftvorwärmern vernichtet. Auch

verursacht der Einsatz von Luftvorwärmern auf höherem Temperaturniveau höhere Kom-

ponentenfixkosten (.

Z ). Für die Luftvorwärmer werden gegenüber dem Szenario I zusätz-

liche Fixkosten in Höhe von etwa 52 e2017h abgeschätzt. Obwohl die Komponentenkosten

dieser Luftvorwärmer zunächst auf die Verbrennungsluft und schließlich auf das Restgas-CB-

Gemisch übertragen werden, sinken die spezifischen Kosten des exergetischen Aufwands

der Luftvorwärmer von rund cF,Szenario I ≈ 38,1 e2017MWhex

auf ca. cF,Szenario III ≈ 37,5 e2017MWhex

(siehe

34 Um die Anzahl der Einflussparameter auf die Ergebnisdarstellung so gering wie möglich zu halten, wird eineexergie- oder massenstromnormierte Darstellung nicht präsentiert.

95


0 €/h

200 €/h

400 €/h

600 €/h

800 €/h

1000 €/h

1200 €/h

1400 €/h

1600 €/h


D


𝐶𝐶 𝐷𝐷+𝑍𝑍

Reaktor

Abbildung 5.23: Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen

Anhang A.4 Tabellen 1.13 und 1.19). Insgesamt steigen die durch Exergievernichtung und

Investition, Betrieb sowie Wartung verursachten Kosten in den Luftvorwärmern jedoch an.

Aufgrund des erhöhten Temperaturniveaus, bei dem die Reaktionen in den Vorbrennkam-

mern stattfinden, verringert sich die Exergievernichtung in dieser Komponentengruppe.

Die spezifischen Kosten für Erdgas und Öl sinken durch die untersuchte Prozessänderung

nicht. Daher sinkt der Einfluss von Vorbrennkammern an der Kostengestehung in der Ge-

samtanlage. Aufgrund erhöhter Investitionskosten für die Luftvorwärmer erhöhen sich die

spezifischen Kosten für den exergetischen Aufwand der Reaktionszonen von etwa 25,9 e2017MWhex

(siehe Anhang A.4 Tabelle 1.13) auf rund 26,1 e2017MWhex

(siehe Anhang A.4 Tabelle 1.19). Die Exer-

gievernichtung nimmt in den Reaktionszonen wegen des erhöhten Massenstroms zu, sodass

die Bedeutung dieser Komponentengruppe an der Kostengestehung im Prozess zunimmt.

Neben der zusätzlichen Kosten für bestverfügbare Luftvorwärmer 1 steigen die Kostenströme

in allen anderen Komponentengruppen aufgrund erhöhter Massenströme im Prozess.

Die Ergebnisse der exergoökonomischen Kostenanalyse für die Gesamtanlage sind in der

Tabelle 5.13 für die zwei Szenarien I und III gegenübergestellt. Sämtliche Produktgeste-

hungskosten sind im Szenario III geringer als im Szenario I. Die Kosteneffizienz, mit der

96


Tabelle 5.13: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario III


Aufwände


MWhex27,84 27,84

cF,Öle2017

MWhex29,45 29,45

cF,Antriebee2017

MWhex124,66 123,48

Produkte


MWhex124,66 123,48

cP,Wärmee2017

MWhex140,11 134,39

cP,CBe2017

MWhexxx xx


.mCB

gCB

e2017xx xx

Veränderung 2,5 %εC

.E P

kWhex

e201714,83 15,24

Veränderung 2,8 %

das Hauptprodukt Carbon Black hergestellt wird, nimmt um rund 2,5% zu. Auch das exerge-

tisch bewertete Gesamtprodukt lässt sich dank einer Temperaturanhebung mit geringerem

Kostenaufwand herstellen. Die Effizienzkennzahl εC.

E Perhöht sich um etwa 2,8%.

Erlöse Um die Auswirkungen der Prozessänderung auf die Erlösvernichtung in Komponen-

tengruppen gegenüber dem bestehenden System zu vergleichen, sind in der Abbildung 5.24

die Summen aus.

RD und.

Z der relevanten Komponentengruppen für die Szenarien I und III

zu sehen. Die verbesserte Kohlenstoffausbeute in den Reaktoren erhöht den Anteil von

Carbon Black im Restgas-CB-Gemisch. Die Exergie der Carbon Black Partikel besitzt auf-

grund der Marktpreisverhältnisse eine höhere Wertigkeit als die Exergie, die stromabwärts

im Prozess zur Produktion von Elektrizität und Wärme eingesetzt wird. Dementsprechend

nimmt das Niveau der spezifischen Erlöse für exergetische Aufwände von Komponenten-

gruppen in den Erzeugungseinheiten zu. Lediglich in den Hauptquenchzonen und den

Vorbrennkammern sinken die dargestellten Erlösströme gegenüber dem Szenario I. In diesen

Komponentengruppen überwiegt also der Einfluss von Effizienzverbesserungen gegenüber

dem Einfluss erhöhter spezifischer Erlöse. Die Änderungen in den übrigen Anlagenteilen

zur Carbon Black Nachbehandlung sowie in der Kraft-Wärme-Kopplungsanlage sind im

97


0 €/h

200 €/h

400 €/h

600 €/h

800 €/h

1000 €/h

1200 €/h

1400 €/h


𝑅𝑅 𝐷𝐷+𝑍𝑍


Reaktor

Abbildung 5.24: Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen

Vergleich zu denen im Bereich der Carbon Black Erzeugung nicht signifikant.

Wie den Ergebnissen für die Gesamtanlage in der Tabelle 5.14 zu entnehmen ist, ändert sich

der Wert für die spezifischen Erlöse der Wärme nicht. Allerdings nehmen die spezifischen

Erlöse der Antriebe zu, sodass sich der Wert der erzeugten Brutto-Elektrizität ebenfalls

erhöht. Eine der Erzeugungseinheiten, für die eine erhöhte Verbrennungslufttemperatur

simuliert wird, erzeugt Specialty Carbon Black. Diese Produktklasse erzielt einen höheren

Marktpreis, als das in den anderen Reaktoren produzierte Rubber Carbon Black. Der Anteil

des höherwertigen Specialty Carbon Black steigt, was dazu führt, dass der durchschnittliche

spezifische Erlös für das Hauptprodukt zunimmt. Insgesamt kann durch die untersuchte

Prozessänderung der Gesamterlösstrom um ca. 1746 e2017h gesteigert werden. Dafür wird ein

zusätzlicher Fixkostenstrom in Höhe von rund 87 e2017h identifiziert. Die Effizienzkennzahlen

εR.

RCBund εR

.RP

lassen sich durch den Einsatz bestverfügbarer Luftvorwärmer 1 jeweils um etwa

4,6% erhöhen.

98


Tabelle 5.14: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario III


Aufwände


MWhex40,33 42,06

rF,Öle2017

MWhex44,72 46,99

rF,Antriebee2017

MWhex165,55 169,67

.RF,Gesamt

e2017h 13.621 15.280

.Z Gesamt

e2017h 1.639 1.726

Produkte.

RP,Gesamte2017

h 15.260 17.006


MWhex55,21 55,04

rP,Wärmee2017

MWhex60,48 60,48

rP,CBe2017

MWhexxx xx

e2017t xx xx

Effizienzkennzahlen

εR.

RCB

e2017

e2017xx xx

Veränderung 4,6 %

εR.

RP

e2017

e20171,42 1,49

Veränderung 4,6 %

Deckungsbeiträge In der Abbildung 5.25 sind Ergebnisse der exergoökonomischen De-

ckungsbeitragsanalyse35 in Form von Balken dargestellt. Die präsentierten Zahlenwerte für

einzelne Komponentengruppen sind den Tabellen 1.14 und 1.20 des Anhangs A.4 entnom-

men. Zu sehen sind die Deckungsbeitragsströme, die aufgrund von Irreversibilitäten in den

Komponenten vernichtet werden. Eine auffällige Veränderung gegenüber dem bestehenden

System ergibt sich für die Reaktionszonen. Zum einen steigt die Exergievernichtung in dieser

Komponentengruppe aufgrund des erhöhten Öl-Massenstroms, zum anderen nimmt der

spezifische Deckungsbeitrag des exergetischen Aufwands für die Reaktionszonen zu. Daher

steigt der absolute Deckungsbeitragsstrom, welcher durch Exergievernichtung in dieser Kom-

ponentengruppe vernichtet wird, um mehr als 70 e2017h . Eine weitere Komponentengruppe,

deren Ergebnisse sich gegenüber denen des Szenarios I ändern, ist die der Luftvorwärmer.

35 Die Fixkosten werden zwar nicht dargestellt, sind jedoch bei der Berechnung von Deckungsbeitragsströmenberücksichtigt. Es handelt sich um eine Analyse des Deckungsbeitrags 2.

99


-1000 €/h

-800 €/h

-600 €/h

-400 €/h

-200 €/h

0 €/h

200 €/h

400 €/h

600 €/h



Reaktor

Abbildung 5.25: Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanaly-sen

Der spezifische Deckungsbeitrag des exergetischen Aufwands steigt von ca. −12,5 e2017MWhex

auf rund −2,1 e2017MWhex

an. Obwohl im Szenario III ein höherer Exergievernichtungsstrom in

den Luftvorwärmern auftritt als im Szenario I, sinkt wegen des reduzierten Betrags des

spezifischen Deckungsbeitrags insgesamt der Betrag des Deckungsbeitragsstroms, der durch

Irreversibilitäten in den Luftvorwärmern vernichtet wird.

In der Tabelle 5.15 sind die Ergebnisse der exergoökonomischen Deckungsbeitragsanalysen

der Szenarien I und III dargestellt. Die exergetischen Aufwandsströme von Öl und Erdgas

besitzen im Szenario III einen geringeren Wert als im Szenario I. Der gesamte Fixkostenstrom.

Z Gesamt ist für das Szenario III größer und die spezifischen Deckungsbeiträge der Nebenpro-

dukte weisen einen geringeren Wert als für das Bestandssystem auf. Jedoch ist ein positiver

Einfluss der Prozessänderung auf die Deckungsbeiträge des Hauptprodukts zu erkennen. So

nimmt der exergiespezifische Deckungsbeitrag von Carbon Black zu. Aufgrund der verbesser-

ten Kohlenstoffausbeute und des erhöhten Ölmassenstroms wird der Exergieproduktstrom

von Carbon Black um nahezu 13MWex erhöht (siehe Tabelle 5.12). Insgesamt verbessert sich

daher die Wirtschaftlichkeit der Carbon Black Herstellung gemessen an der Kennzahl εO.

OCB

100


Tabelle 5.15: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario III


Aufwände


MWhex12,49 12,18

oF,Öle2017

MWhex15,27 14,75

oF,Antriebee2017

MWhex40,89 53,34

.OF,Gesamt

e2017h 4.517 5.559

.Z Gesamt

e2017h 1.639 1.726

Produkte


MWhex-69,45 -77,19

oP,Wärmee2017

MWhex-79,63 -83,99

oP,CBe2017

MWhexxx xx

e2017t xx xx

Effizienzkennzahlen

εO.

OCB

e2017

e2017xx xx

Veränderung 9,7 %

εO.

OP

e2017

e20170,42 0,49

Veränderung 15,5 %

um fast 10%. Die Effizienzkennzahl bezüglich des Deckungsbeitragsstroms erhöht sich für

das Gesamtprodukt um mehr als 15%.

101


5.2.2.3 Exergoökologische Analyse Szenario III

0 Pts/h

100 Pts/h

200 Pts/h

300 Pts/h

400 Pts/h

500 Pts/h

600 Pts/h



B D+𝑌𝑌

+ 𝐵𝐵

𝑃𝑃𝑃𝑃

Reaktor

Abbildung 5.26: Balkendiagramm: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen

In der Abbildung 5.26 sind die Ergebnisse der exergoökologischen Analyse für die Kompo-

nentengruppen der Szenarien I und III zusehen. Die zugehörigen Werte sind in den Tabellen

1.13 und 1.19 des Anhangs A.4 zu finden.

Die Umweltlast, die durch den Betrieb der Vorbrennkammern in den Reaktoren entsteht,

wird durch die Prozessänderung im Szenario III gegenüber dem Wert im Szenario I verrin-

gert. Wegen der höheren Temperatur der Verbrennungsluft, bei gleichen Brennstoff- und

Luftmassenströmen, verringert sich die Exergievernichtung in dieser Komponentengruppe

um etwa 0,5MWex. Die spezifische Umweltlast des exergetischen Aufwands ändert sich bei

dieser Komponentengruppe nicht. Die adiabate Verbrennungstemperatur steigt an, was

sich wiederum auf das chemische Gleichgewicht am Austritt der simulierten36 Vorbrenn-

kammer auswirkt. Demnach reduziert sich der CO2-Anteil am Austritt und somit auch die

emissionsbedingte Umweltbelastung.

36 Die Annahme, dass die Reaktanten der Verbrennungsreaktion unabhängig der Temperatur vollständigumgesetzt werden, wird nicht simuliert. Diese Annahme wird an anderer Stelle dieser Arbeit herangezogen,um Zusammenhänge vereinfacht darzustellen.

102


Anders als bei den Vorbrennkammern, ist für die Reaktionszonen eine Zunahme der Um-

weltlast festzustellen. Wegen des zusätzlich umgesetzten Ölmassenstroms wird ein höherer

Exergievernichtungsstrom identifiziert. Zwar wird gegenüber dem Szenario I ein größe-

rer CO2-Teilchenstrom in andere Kohlenstoffverbindungen umgesetzt, die nicht über die

Gesamtsystemgrenze emittiert und auch nicht in der exergoökologischen Analyse dieser

Arbeit bilanziert werden. Jedoch überwiegt der Einfluss von Irreversibilitäten gegenüber dem

reduzierter Emissionen, sodass die Umweltlast der Reaktionszonen insgesamt zunimmt.

Tabelle 5.16: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario III



PtsMWhex

12,81 12,81

bF,ÖlPts

MWhex12,31 12,31

.B F,Gesamt

Ptsh 3.862 4.120

.Y Gesamt

Ptsh 34,96 35,49

.B

PFGesamt

Ptsh 196,48 203,13


PtsMWhex

45,74 45,44

bP,WärmePts

MWhex57,22 54,87

bP,CBPts

MWhex21,82 21,01

mPtskg 207,50 199,78

Effizienzkennzahlen

εB.

mCB


Veränderung 2,6 %εB

.E P


Veränderung 2,9 %

Einige Ergebnisse der exergoökologischen Analyse sind in der Tabelle 5.16 für die Anla-

gen der Szenarien I und III zusammengefasst. Aufgrund des erhöhten Ölmassenstroms im

Szenario III nimmt der Umweltbelastungsstrom für den exergetischen Gesamtaufwandss-

trom gegenüber dem Szenario I zu. Ebenfalls erhöhen sich die Umweltbelastungsströme für

Herstellung, Betrieb, Wartung und Entsorgung der Anlagenkomponenten sowie der emit-

tierte CO2-Massenstrom. Insgesamt überwiegt der Anteil der Umweltlast durch den Einsatz

der Rohstoffe gegenüber den Umweltlasten durch Herstellung, Betrieb, Wartung und Ent-

sorgung von Komponenten sowie gegenüber der Umweltlast durch CO2-Emissionen. In

103


beiden Szenarien liegt der Anteil des Einsatzes von Öl und Erdgas an der Umweltlast bei

etwa 95%. Da die Umwandlung der exergetischen Aufwände in die Produktströme durch die

Prozessänderung effizienter erfolgt, sinken die spezifischen Umweltlasten aller Produkte.

Die Effizienzkennzahl, welche den Carbon-Black-Massenstrom ins Verhältnis zur gesamten

Umweltlast setzt, verbessert sich gegenüber dem Wert im Szenario I um rund 2,6%. Die

Umwelteffizienz des exergetischen Gesamtproduktstroms verbessert sich um ca 2,9%.

5.2.2.4 Diskussion Szenario III

Für das Szenario III zeigen die Ergebnisse der verschiedenen Analysemethoden ein unein-

heitliches Bild über das Verbesserungspotential der untersuchten Prozessänderung. Aus der

Exergieanalyse geht hervor, dass sich die Exergieeffizienz der Gesamtanlage gegenüber dem

Szenario I um etwa 2,6% erhöhen und der Exergieverlustquotient um etwa 7% verbessern

lässt. Damit weist die Anlage aus dem Szenario III ein geringeres exergetisches Verbesserungs-

potential gegenüber der Bestandsanlage auf, als dies im Szenario II festzustellen ist. Dabei

ist zu berücksichtigen, dass für das Szenario II der Einsatz von Dampferzeugern in allen Re-

aktoren und im Szenario III lediglich für die Hälfte der Erzeugungseinheiten bestverfügbare

Luftvorwärmer simuliert werden. Die Ergebnisse der Szenarien I und III für die exergoöko-

nomischen Kostenanalysen deuten darauf hin, dass die zusätzlichen Kosten des Szenario III

weniger stark ansteigen wie der zusätzlich produzierte Carbon-Black-Massenstrom und

der Gesamtexergieproduktstrom. Somit ergibt sich für Szenario III neben der exergetischen

Verbesserung der Anlage ebenfalls eine Zunahme der Kosteneffizienz. Der Gesamtexergiepro-

duktstrom wird gegenüber dem bestehenden System zu rund 2,8% geringeren Gesamtkosten

hergestellt. Die Wirtschaftlichkeit, mit der der Erlösstrom des gesamten Produkts erzielt

wird, nimmt um ca. 4,6% zu. Insgesamt lässt sich das Verhältnis aus dem Deckungsbeitrag-

2-Strom des gesamten Produkts und den dafür aufgewandten Gesamtkostenstrom um etwa

15,5% steigern. Die Effizienzkennzahlen der exergoökologischen Analyse zeigen ebenfalls

einen positiven Einfluss der Temperaturanhebung in Luftvorwärmern auf die Anlageneffi-

zienz. So kann der Umwelteinfluss des exergetisch bewerteten Gesamtproduktstroms um

nahezu 3% gegenüber dem Szenario I reduziert werden.

Aus den Ergebnissen für das Szenario III ist abzuleiten, dass sich der Furnacerußprozess

durch erhöhte Verbrennungslufttemperaturen sowohl exergetisch als auch ökonomisch und

ökologisch effizienter betreiben lässt.

104


5.2.3 Kombination von Prozessänderungen - Szenario IV

Substitution von

Quenchwasser durch

Dampferzeuger

Austausch einiger

Luftvorwärmer 1

Abbildung 5.27: Skizze zu Szenario IV

In der Abbildung 5.27 ist eine Skizze zur Veranschaulichung der untersuchten Prozessände-

rungen des Szenarios IV zu sehen. Es handelt sich dabei um eine Kombination der beiden

Änderungen, die in den Szenarien II und III beschrieben sind. Ziel der Untersuchung ei-

ner Kombination beider Verbesserungsmaßnahmen ist es, ein noch besseres Verständnis

über die Zusammenhänge der Gesamtanlage zu erhalten und Schlussfolgerungen abzulei-

ten, um Vorteile einzelner Änderungen miteinander kombinieren zu können. Eine simple

Addition, Multiplikation, Potenzierung oder anderweitige vereinfachte Abschätzung des

Verbesserungspotentials durch eine Kombination mehrerer Maßnahmen ist vermutlich nur

unter erhöhter Ungenauigkeit möglich [74]. Die beiden Prozessänderungen beeinflussen

sich physikalisch gegenseitig. Dies wirkt sich auf die Ergebnisse der Exergieanalyse, der

exergoökonomischen und der exergoökologischen Analyse aus. Der Fokus der folgenden

105


Untersuchung ist auf die gegenseitige Beeinflussung der Maßnahmen gerichtet. Um Wieder-

holungen von Argumentationen in der Analyse zu vermeiden, wird darauf verzichtet, die

Veränderungen im Prozess anhand der Darstellung in Balkendiagrammen zu beschreiben.

5.2.3.1 Exergieanalyse Szenario IV

Tabelle 5.17: Ergebnisvergleich von Exergieanalysen - Szenario IV

Einheit Szenario I Szenario II Szenario III Szenario IV.

E F,Sonstige Cn Hm MWex 47,07 47,07 47,07 47,07.

E F,Öl MWex 260,51 260,51 281,46 281,46.

E F,Andere MWex 5,33 5,01 5,32 5,06.

E F,Gesamt MWex 312,91 312,59 333,85 333,59


E P,Elektrizität (Netto) MWex 23,64 29,33 24,98 29,62.

E P,Wärme MWex 1,89 0,95 2,86 2,16.

E P,CB MWex 133,74 133,74 146,58 146,58.

E P,Gesamt MWex 159,27 164,02 174,42 178,36.

E L,Gesamt MWex 19,45 17,21 19,31 17,82

KennzahlenεGesamt % 50,90 52,47 52,25 53,47Veränderung 3,1 % 2,6 % 5,0 %yL,Gesamt % 6,22 5,51 5,78 5,34Veränderung -11,4 % -7,0 % -14,1 %

Eine Kombination der beiden Prozessänderungen, die in den Szenarien I und II untersucht

werden, führt zu einer Verbesserung der Exergieeffizienz der Gesamtanlage. Wie den Zahlen

der Tabelle 5.17 zu entnehmen ist, ist der Einsatz von Öl im Szenario IV aufgrund der erhöh-

ten Reaktortemperatur so hoch wie im Szenario III. Da im Szenario IV die Restgastemperatur

am Austritt der Reaktoren allerdings mit Hilfe von Wärmeübertragern statt durch Wasserzu-

gabe gesenkt wird, ist der Restgasmassenstrom geringer als im Szenario III. Dies führt unter

anderem dazu, dass insgesamt geringere Wasser- und Luftmassenströme aus der Umgebung

in das System fließen. Die chemische Zusammensetzung von Luft und Wasser wird in der

Arbeit mit vereinfachten Annahmen abgebildet. Obwohl einige Ströme in der realen Anlage

teilweise der Umgebung entnommen werden, verfügen sie in der Simulation somit über che-

106


mische Exergie. Die Werte sind nicht besonders hoch, führen allerdings dazu, dass der Wert.

E F,Gesamt gegenüber den Szenarien I und III sinkt. Insgesamt wird das System im Szenario IV

mit einem etwas geringeren Exergieaufwandsstrom als das System im Szenario III betrieben.

Durch die Kombination lässt sich der Exergieproduktstrom insgesamt von ca. 159MW (Sze-

nario I) auf rund 178MW (Szenario IV) steigern. Eine erhöhte Elektrizitätsproduktion ist zum

einen aufgrund des zusätzlichen Öl-Einsatzes, zum anderen wegen des zusätzlich erzeugten

Dampfes im Reaktor zu erwarten. Da gegenüber dem Szenario III der Dampfmassenstrom

im 90-bar-Dampfkreislauf zunimmt und dessen Vorwärmung im Entgaser mit Hilfe von

8-bar-Dampf erfolgt, kann im Szenario IV weniger Wärme aus dem System ausgekoppelt

werden als im Szenario III.

Die Exergieeffizienz der Gesamtanlage wird durch die Kombination der Prozessänderungen

aus Szenario II und III um rund 5% erhöht. Der Exergieverlustquotient lässt sich sogar um

mehr als 14% verbessern.

107


5.2.3.2 Exergoökonomische Analyse Szenario IV

Tabelle 5.18: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario IV

Einheit Szenario I Szenario II Szenario III Szenario IV

Aufwände


MWhex27,84 27,84 27,84 27,84

cF,Öle2017

MWhex29,45 29,45 29,45 29,45

.C F,Gesamt

e2017h 9.104 9.104 9.721 9.721

.Z Gesamt

e2017h 1.639 1.945 1.726 1.968

Produkte


MWhex124,66 130,27 123,48 127,16

cP,Wärmee2017

MWhex140,11 144,47 134,39 135,46

cP,CBe2017

MWhexxx xx xx xx


.mCB

gCB

e2017xx xx xx xx

Veränderung -2,8 % 2,5 % 0,4 %εC

.E P

kWhex

e201714,83 14,84 15,24 15,26

Veränderung 0,1 % 2,8 % 2,9 %

Kosten Aus den Ergebnissen der exergoökonomischen Kostenanalyse (siehe Tabelle 5.18)

geht hervor, dass im Szenario IV die größten Kostenströme auftreten. Zum einen steigen

die variablen Kosten wegen des erhöhten Öl-Einsatzes gegenüber den variablen Kosten in

den Szenarien I und II. Zum anderen sind im Szenario IV die höchsten Fixkosten gegenüber

den übrigen Szenarien zu erwarten, da sowohl bestverfügbare Luftvorwärmer als auch

Dampferzeuger sowie größer ausgelegte Wasserdampfkreisläufe anzuschaffen sind. Die

Kosteneffizienz, mit der das Hauptprodukt hergestellt werden kann, ist in diesem Szenario

dennoch um ca. 0,4% besser als in der bestehenden Anlage (Szenario I). Die Kosteneffizienz

des exergetischen Gesamtprodukts nimmt sogar um etwa 2,9% zu.

Erlöse Die Ergebnisse der exergoökonomischen Erlösanalyse deuten darauf hin, dass

sich die Erlöseffizienz im Szenario IV zwar gegenüber dem Szenario I verbessern lässt,

108


Tabelle 5.19: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario IV


Aufwände


MWhex40,33 40,02 42,06 41,83

rF,Öle2017

MWhex44,72 44,20 46,99 46,59

rF,Antriebee2017

MWhex165,55 183,61 169,67 182,34

.RF,Gesamt

e2017h 13.621 13.476 15.280 15.158

.Z Gesamt

e2017h 1.639 1.945 1.726 1.968

Produkte.

RP,Gesamte2017

h 15.260 15.421 17.006 17.126


MWhex55,21 53,08 55,04 52,67

rP,Wärmee2017

MWhex60,48 60,48 60,48 60,48

rP,CBe2017

MWhexxx xx xx xx

e2017t xx xx xx xx

Effizienzkennzahlen

εR.

RCB

e2017

e2017xx xx xx xx

Veränderung -2,8 % 4,6 % 2,4 %

εR.

RP

e2017

e20171,42 1,40 1,49 1,47

Veränderung -1,7 % 4,6 % 3,1 %

jedoch sind die zu erwartenden Verbesserungen geringer als im Szenario III. So nimmt

der Gesamtprodukterlösstrom gegenüber dem bestehenden System (Szenario I) um rund

12% zu. Allerdings ist der zusätzliche Erlösstrom mit einem erhöhten Gesamtkostenstrom

verbunden. Das Verhältnis aus Erlösstromzunahme und Kostenanstieg ist im Ergebnis zwar

besser als im Szenario II, aber ungünstiger als im Szenario III.

Deckungsbeiträge Die Ergebnisse der exergoökonomischen Deckungsbeitragsanaly-

se (siehe Tabelle 5.20) deuten darauf hin, dass eine Kombination von Prozessänderungen

(Szenario IV) weniger wirtschaftlich ist, als in dem Entwurf, in dem bestverfügbare Luftvor-

wärmer eingesetzt werden (Szenario III). Die Effizienz, mit der der Deckungsbeitragsstrom

von Carbon Black erzeugt wird, lässt sich im Szenario IV gegenüber dem Szenario I um etwa

13% steigern. Dies liegt vor allem daran, dass wegen der zusätzlichen Dampferzeuger in den

109


Tabelle 5.20: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario IV


Aufwände


MWhex12,49 12,18 12,18 13,99

oF,Öle2017

MWhex15,27 14,75 14,75 17,14

oF,Antriebee2017

MWhex40,89 53,34 53,34 55,18

.OF,Gesamt

e2017h 4.517 4.372 5.559 5.437

.Z Gesamt

e2017h 1.639 1.945 1.726 1.968

Produkte.

OP,Gesamte2017

h 4517 4372 5559 5437


MWhex-69,45 -77,19 -77,19 -74,48

oP,Wärmee2017

MWhex-79,63 -83,99 -83,99 -74,98

oP,CBe2017

MWhexxx xx xx xx

e2017t xx xx xx xx

Effizienzkennzahlen

εO.

OCB

e2017

e2017xx xx xx xx

Veränderung 3,7 % 9,7 % 13,0 %

εO.

OP

e2017

e20170,42 0,40 0,49 0,47

Veränderung -5,9 % 15,5 % 10,6 %

Reaktoren ein Teil des Kostenstroms, welcher in den Szenarien I und III dem Hauptprodukt

zugerechnet wird, mit der übertragenen Exergie der Wärme an den Wasserdampf übergeht

und den Nebenprodukten zugerechnet wird. Daher weist das Carbon Black im Szenario IV

gegenüber dem Szenario III zwar die gleichen spezifischen Erlöse, jedoch geringere Ge-

stehungskosten auf. Wird nicht nur die Änderung eines der Kuppelprodukte betrachtet,

sondern der Deckungsbeitragsstrom aller Produkte mit den Gesamtkosten ins Verhältnis

gesetzt, so ergibt sich für das Szenario IV eine Wirtschaftlichkeitssteigerung von mehr als

10% gegenüber dem bestehenden System. Damit ist das Ergebnis für die Maßnahmenkom-

bination betriebswirtschaftlich zwar besser als das Ergebnis im Szenario II, allerdings ist die

Wirtschaftlichkeit im Szenario III noch besser.

110


5.2.3.3 Exergoökologische Analyse Szenario IV

Tabelle 5.21: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario IV



PtsMWhex

12,81 12,81 12,81 12,81

bF,ÖlPts

MWhex12,31 12,31 12,31 12,31

bF,AntriebePts

MWhex45,74 44,84 45,40 44,43

.B F,Gesamt

Ptsh 3.862 3.862 4.120 4.120

.Y Gesamt

Ptsh 34,96 36,29 35,49 36,58

.B

PFGesamt

Ptsh 196,48 196,47 203,13 203,14


PtsMWhex

45,74 44,84 45,44 44,43

bP,WärmePts

MWhex57,22 58,03 54,87 54,96

bP,CBPts

MWhex21,82 20,45 21,01 20,03

mPtskg 207,50 194,52 199,78 190,47

Effizienzkennzahlen

εB.

mCB

kgCBmPts 3.444 3.443 3.533 3.532

Veränderung > -0,1 % 2,6 % 2,6 %εB

.E P

MWhexmPts 38,90 40,05 40,02 40,91

Veränderung 3,0 % 2,9 % 5,1 %

Aufgrund der erhöhten Exergieeffizienz der Gesamtanlage im Szenario IV gegenüber dem

bestehenden System, sowie dem hohen Einfluss des Rohstoffeinsatzes auf die Umweltbelas-

tung des Prozesses, zeigen die Ergebnisse der exergoökologischen Analyse, dass im Vergleich

zu den anderen Szenarien, das gesamte Exergieprodukt mit Hilfe des Szenarios IV mit der

höchsten Umwelteffizienz hergestellt werden kann. Zwar treten im Szenario IV die größ-

ten Werte für Umweltlastenströme auf, die durch den Rohstoffeinsatz, dem Bau, Betrieb,

Wartung und Entsorgung von Komponenten sowie durch Entstehung von CO2-Emissionen

verursacht werden. Diese zusätzlichen Umweltbelastungsströme sind jedoch geringer als die

zusätzlichen Produktströme, die im Vergleich zu der bestehenden Anlage hergestellt werden.

Insgesamt wird die Umweltlast je Exergieeinheit für das Gesamtexergieprodukt um mehr als

5% reduziert.

111


5.2.3.4 Diskussion Szenario IV

Es ist festzustellen, dass je nachdem wie die Material- und Energieströme bewertet werden,

eine Kombination der Prozessänderungen unterschiedlich positiv beurteilt werden kann.

Werden Material- und Energieströme exergetisch bewertet und die Systeme dahingehend

untersucht, ist für das Szenario IV eine Verbesserung der Exergieeffizienz (um ca. 5%) sowie

des Exergieverlustquotienten (um mehr als 14%) gegenüber dem Szenario I zu erkennen.

Auch kann der exergetisch bewertete Gesamtproduktstrom mit einem Gesamtkostenstrom

produziert werden, der etwa 3% geringer ist als in der Bestandsanlage. Die Analyse der Szena-

rien, bei denen Material- und Energieströme mit Erlösen bewertet wird, deutet ebenfalls eine

Verbesserung gegenüber dem Szenario I an. Allerdings ist die Steigerung der Erlöseffizienz

des Gesamtprodukts gegenüber dem Wert im Szenario I mit etwas mehr als 3% geringer

als die Erlöseffizienz des Szenarios III. Ähnlich verhält es sich bei der exergoökonomischen

Deckungsbeitragsanalyse. Das Verhältnis aus dem Deckungsbeitragsstrom des Gesamtpro-

dukts und dem aufzuwendenden Gesamtkostenstrom ist zwar um mehr als 10% besser als

bei der Bestandsanlage, jedoch erweist sich das Szenario III als noch wirtschaftlicher. Die

ökologische Bewertung der Material- und Energieströme im Rahmen der exergoökologi-

schen Analyse zeigt eine Steigerung der Umwelteffizienz von mehr als 5% gegenüber der

Bestandsanlage auf. Eine Kombination der Maßnahmen, die in den Szenarien II und III

untersucht werden, erweist sich somit als der ökologisch effizienteste Prozessentwurf der

analysierten Anlagendesigns. Wobei der negative Einfluss des Einsatzes von Dampferzeugern

in Reaktoren auf die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage durch den positiven Einfluss der

Verbrennungslufttemperaturerhöhung ausgeglichen wird.

112


5.2.4 Umbaumaßnahme: Elektrische Luftvorwärmung - Szenario V

E

Elektrische

Vorwärmung von

Verbrennungsluft

Abbildung 5.28: Skizze zu Szenario V

Die Analysen der bestehenden Anlage (Szenario I) sowie der alternativen Prozessentwürfe

(Szenarien I bis IV) führen zu einem detaillierten Verständnis der Zusammenhänge von

Exergie-, Kosten-, Erlösen-, Deckungsbeitrags- sowie Umweltbelastungsströmen. Insbeson-

dere die exergoökonomischen Untersuchungen der Prozesse mit Hilfe der Erlösströme sowie

der Deckungsbeitragsströme deuten darauf hin, dass, selbst wenn sich die Produktgeste-

hungskosten durch die Anwendung der konventionellen exergoökonomischen Kostenanaly-

se sowie die zugehörigen Umwelteinflüsse verringern lassen, eine ökonomische Ineffizienz

des Prozesses bestehen bleibt. Die Ströme, die nicht direkt der Produktion des Hauptpro-

dukts dienen, sind unwirtschaftlich. Die Gestehungskosten von Elektrizität sind höher als

die Erlöse aus dem Stromverkauf. Die Simulationen der Szenarien III und IV ergeben, dass

eine Anhebung der Verbrennungslufttemperatur und somit der Temperatur in vier von acht

113


simulierten Reaktionszonen mehrere Vorteile aufweist. Der konventionelle Ansatz, um das

Potential nutzbar zu machen, besteht darin, bestverfügbare Luftvorwärmer einzusetzen.

Wegen der hohen Temperaturen sind diese Wärmeübertrager vergleichsweise empfindlich

bezüglich ihres An- und Abfahrverhaltens. Des Weiteren werden spezielle Materialien und,

aufgrund der erhöhten Wärmeleistung, eine größere Übertragungsfläche benötigt, was diese

Komponenten wiederum vergleichsweise teuer in der Anschaffung macht. Mit Hilfe von

Elektrizität ist es hingegen theoretisch möglich, Wärme auf einem noch höheren Tempera-

turniveau bereitzustellen. Weder aus der Exergieanalyse, noch aus einer konventionellen

exergoökonomischen Kostenanalyse oder aus der exergoökologischen Analyse kann die

nachfolgend untersuchte Maßnahme direkt abgeleitet werden. Es wird angenommen, dass

sich die Verbrennungsluft der Erzeugungseinheiten, die in den Szenarien III und IV mit best-

verfügbaren Luftvorwärmern erwärmt wird, ebenfalls elektrisch auf 900 °C vorwärmen lässt.

Es wird dazu vereinfachend angenommen, dass die elektrische Vorwärmung ein Bestandteil

der Vorbrennkammer ist. Da keine Kosteninformationen über eine elektrische Vorwärmung

von Luft auf dem gewünschten Temperaturniveau für eine vergleichbare Anlage verfügbar

sind, wird vereinfacht angenommen, dass durch den Umbau Fixkosten entstehen, die 50%

der Kosten einer neu anzuschaffenden Vorbrennkammer entsprechen. Die vier Elektroheizer

haben insgesamt eine Leistung von weniger als 3MWen und die Umbaukosten werden zu

rund 1,9 ·106 e abgeschätzt. Der nivellierte Fixkostenstrom, welcher sich durch den Betrieb

und die Wartung der Elektroheizer ergibt, wird zu ca. 0,1 106 ea berechnet. Die Umweltlast,

die durch den Umbau, Betrieb, Wartung und Entsorgung des elektrisch betriebenen Heizers

entstehen, werden ebenfalls zu 50% einer neu angeschafften Vorbrennkammer abgeschätzt.

Im Gegensatz zu den Szenarien I bis IV handelt es sich bei dem Szenario V nicht um einen

alternativen Prozessentwurf auf der ”grünen Wiese”. Stattdessen wird angenommen, dass

die Bestandsanlage lediglich um Elektroheizer erweitert wird. Die Produkte aus Wärme-

durchgangskoeffizienten und Wärmeübertragerflächen werden für die Luftvorwärmer gleich

den Werten gesetzt, die sich aus den Messungen des bestehenden Systems ergeben. Die

Luftmassenströme, mit denen die Luftvorwärmer 2 betrieben werden, sind ebenfalls denen

der bestehenden Anlage entnommen. Zwar ändern sich durch den erhöhten Rohstoffeinsatz

die Dampfmassenströme im Bereich der KWK-Anlage um etwa 6,7%. Es wird jedoch davon

ausgegangen, dass das bestehende System in der Lage ist, diese zusätzlichen Massenströme

mit Hilfe der vorhandenen Komponenten zu verarbeiten. Da die Komponenten des bestehen-

den Systems weiterhin genutzt werden, ändert sich der zugehörige Fixkostenstrom nicht. Die

Ergebnisse des Szenarios V können also zweckmäßig mit denen des bestehenden Systems

114


verglichen werden, bei denen lediglich variable Kosten beziehungsweise Deckungsbeitrag-1-

Ströme berücksichtigt werden.

5.2.4.1 Exergieanalyse Szenario V

Tabelle 5.22: Ergebnisvergleich von Exergieanalysen - Szenario V

Einheit Szenario I Szenario V.


E F,Öl MWex 260,51 281,46.






E P,CB MWex 133,74 146,58.




Die Maßnahme, bereits vorgewärmte Verbrennungsluft vor dem Eintritt in vier der Vorbrenn-

kammern elektrisch auf 900 °C weiter aufzuheizen, wirkt sich positiv auf die Exergieeffizienz

der Gesamtanlage aus. Dies kann anhand der Ergebnisse in der Tabelle 5.22 nachvollzogen

werden. Zwar wird insgesamt ein erhöhter Exergieverluststrom erzeugt, die Zunahme des

Exergieverlusts ist jedoch geringer als die Zunahme des exergetischen Aufwands durch den

erhöhten Öl-Massenstrom. Insgesamt verringert sich daher der Exergieverlustquotient um

rund 5,5%. Einerseits wird zwar mehr Brutto-Elektrizität erzeugt, wegen des erhöhten Ei-

genbedarfs sinkt allerdings der Stromüberschuss, sodass weniger elektrischer Netto-Strom

für den Verkauf an den Strommarkt übrig bleibt. Aufgrund der erhöhten Massenströme und

der verbesserten Kohlenstoffausbeute im Reaktor steigt der Exergiestrom des Gesamtpro-

dukts stärker an als der exergetische Aufwandsstrom. Dies führt zu einer Verbesserung der

Exergieeffizienz der Gesamtanlage in Höhe von nahezu 1%.

115


5.2.4.2 Exergoökonomische Analyse Szenario V

Tabelle 5.23: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario V

Einheit Szenario I Szenario V

Aufwände


MWhex27,84 27,84

cF,Öle2017

MWhex29,45 29,45

.C F,Gesamt

e2017h 9.103 9.721

.Z Umbau

e2017h 0,00 29,19

Produkte


MWhex96,22 96,21

cP,Wärmee2017

MWhex120,08 115,75

cP,CBe2017

MWhexxx xx


.mCB

gCB

e2017xx xx

Veränderung xx %εC

.E P

kWhex

e2017xx xx

Veränderung xx %

Kosten Der Vergleich der Ergebnisse der exergoökonomischen Kostenanalysen zeigt durch

den Umbau einen positiven Einfluss auf die Kosteneffizienz für das exergetisch bewertete

Gesamtprodukt auf. Zum einen entstehen zusätzliche Fixkosten in Höhe von etwa 29 eh ,

zum anderen nimmt der variable Kostenstrom für das Öl zu. Die Gesamtkosten steigen nicht

so stark wie der Exergiestrom des Gesamtprodukts. Die Kosteneffizienz, mit der der exergeti-

sche Gesamtproduktstrom erzeugt wird, verändert sich somit gegenüber dem bestehenden

System (Szenario I) um rund xx %.

Erlöse Die Idee zur elektrischen Luftvorwärmung ergibt sich aus den exergoökonomischen

Erlösanalysen der Szenarien I bis IV. Tatsächlich kann anhand der Ergebnisse in der Tabelle

5.24 für das Gesamtsystem eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit beobachtet werden. Es

entstehen durch den Umbau sowohl zusätzliche variable Kosten als auch zusätzliche Fixkos-

ten. Obwohl die Kosten für den Umbau möglichst konservativ abgeschätzt sind, überwiegen

116


Tabelle 5.24: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario V


Aufwände


MWhex45,00 45,34

rF,Öle2017

MWhex50,08 52,00

rF,Antriebe & E.-Heizere2017

MWhex137,23 157,22

.RF,Gesamt

e2017h 15.260 16.877

.Z Umbau

e2017h 0,00 29,19

Produkte.

RP,Gesamte2017

h 15.260 16.906


MWhex50,82 65,51

rP,Wärmee2017

MWhex60,48 60,48

rP,CBe2017

MWhexxx xx

e2017t xx xx

Effizienzkennzahlen

εR.

RCB

e2017

e2017xx xx

Veränderung xx %

εR.

RP

e2017

e2017xx xx

Veränderung xx %

die zusätzlichen variablen Kosten deutlich (siehe Tabelle 5.23). Aufgrund der verbesserten

Effizienz, mit der Carbon Black in den Reaktoren hergestellt wird und wegen des zuneh-

men Anteils von höherwertigem Specialty Carbon Black, steigt insgesamt der Erlösstrom

des Gesamtproduktstroms stärker als die Kosten. Der spezifische Erlös, der für den elektri-

schen Strom erzielt wird, der die Luft vorwärmt, variiert je nach Erzeugungseinheit zwischen

127 e2017MWhex

und 258 e2017MWhex

. Unterhalb dieser Preisniveaus ist der Verkauf von Elektrizität am

Markt nicht vorteilhaft gegenüber dem Einsatz zur Verbrennungsluftvorwärmung. Die Wirt-

schaftlichkeit, mit der der Erlösstrom des Gesamtprodukts generiert wird, erhöht sich um ca.

xx%.

Deckungsbeiträge In der Tabelle 5.25 sind die Ergebnisse der exergoökonomischen

Deckungsbeitragsanalysen der Szenarien I und V zu sehen. Der Deckungsbeitragsstrom für

117


Tabelle 5.25: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario V


Aufwände


MWhex17,16 17,50

oF,Öle2017

MWhex20,63 22,56

oF,Antriebe & E.-Heizere2017

MWhex41,01 61,01

.OF,Gesamt

e2017h 6.157 7.157

.Z Umbau

e2017h 0,00 29,19

Produkte.

OP,Gesamte2017

h 6157 7157


MWhex-45,40 -30,69

oP,Wärmee2017

MWhex-59,60 -55,27

oP,CBe2017

MWhexxx xx

e2017t xx xx

Effizienzkennzahlen

εO.

OCB

e2017

e2017xx xx

Veränderung xx%

εO.

OP

e2017

e2017xx xx

Veränderung xx %

das Gesamtprodukt, bestehend aus Carbon Black, Elektrizität und ausgekoppelter Wärme,

nimmt gegenüber dem Szenario I stärker zu als die zusätzlichen Kosten. Das Verhältnis

zwischen diesem Deckungsbeitragsstrom sowie dem Gesamtkostenstrom verbessert sich

daher gegenüber der bestehenden Anlage um etwa xx%. Wird der Deckungsbeitragsstrom

des Hauptprodukts ins Verhältnis zu dem Gesamtkostenstrom gesetzt, ergibt sich eine

Veränderung der Wirtschaftlichkeit von xx%.

5.2.4.3 Exergoökologische Analyse Szenario V

Wie den Ergebnissen der exergoökologischen Analysen der Szenarien I und V in der Tabelle

5.26 zu entnehmen ist, wird die Umwelteffizienz des Prozesses durch das elektrische Vorwär-

men von Verbrennungsluft positiv beeinflusst. Zwar nimmt der insgesamt aufzuwendende

Umweltbelastungsstrom zu, allerdings wird im Verhältnis zur Zunahme des Umweltein-

118


Tabelle 5.26: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario V



PtsMWhex

12,81 12,81

bF,ÖlPts

MWhex12,31 12,31

bF,Antriebe & E.-HeizerPts

MWhex45,44 45,33

.B F,Gesamt

Ptsh 3.862 4.120

.Y Umbau

Ptsh 0,000 0,003

.B

PFGesamt

Ptsh 196,48 203,14


PtsMWhex

45,44 45,31

bP,WärmePts

MWhex56,91 54,67

bP,CBPts

MWhex21,61 21,74

mPtskg 205,53 206,72

Effizienzkennzahlen

εB.

mCB


Veränderung 2,5 %εB

.E P


Veränderung 1,1 %

flusses eine erhöhte Zunahme des exergetisch bewerteten Gesamtprodukts beobachtet.

Insgesamt steigt die zugehörige Effizienzkennzahl um mehr als 1%. Die spezifische Um-

weltlast des Carbon Blacks nimmt durch den erhöhten Einsatz elektrischer Leistung im

Bereich der Carbon Black Erzeugungseinheit zu. Dennoch ist der zusätzliche Ertrag des

Hauptprodukts im Verhältnis zur zusätzlich verursachten Umweltlast größer, sodass sich

die entsprechende Umwelteffizienzkennzahl um etwa 2,5% gegenüber der bestehenden

Anlage verbessert. Für die Szenarien I und V werden analog zur Vorgehensweise bei der

exergoökonomischen Analyse keine durch Herstellung, Betrieb, Wartung und Entsorgung

verursachten Umweltlasten der Komponenten aus der bestehenden Anlage berücksichtigt.

5.2.4.4 Diskussion Szenario V

Mit dem Szenario V wird das bestehende System dahingehend untersucht, wie es sich durch

den Einsatz der elektrischen Luftvorwärmung verbessern lässt. Da es sich im Gegensatz zu

den Szenarien II bis IV um eine Umbaumaßnahme des Bestandssystems handelt, werden die

119


bestehenden Fixkosten sowie die Umwelteinflüsse, die sich aus Bau, Betrieb, Wartung und

Entsorgung von Bestandskomponenten ergeben, nicht in den Analysen berücksichtigt. Für

den Umbau werden die entsprechenden Werte der Umbaukosten und des Umwelteinflusses

abgeschätzt. Aus den Ergebnissen der exergoökonomischen Kostenanalyse ist abzuleiten,

dass die Kosteneffizienz des exergetisch bewerteten Gesamtprodukts bestehend aus Carbon

Black, Elektrizität sowie Wärme zunimmt. Die Effizienz, mit der der gesamte Deckungsbei-

trag erwirtschaftet wird, steigt ebenfalls an. Auch ist eine Zunahme der Umwelteffizienz zu

erkennen. Zwar ist diese Zunahme im Vergleich zu den anderen Szenarien nicht besonders

hoch. Allerdings kann der erhöhte Deckungsbeitragsstrom, wie im Szenario IV gezeigt, dazu

genutzt werden, zusätzliche investive Maßnahmen kombiniert umzusetzen, die zwar öko-

nomisch weniger attraktiv sind, jedoch eine hohe Auswirkung auf den Umwelteinfluss der

Produktion haben.

Werden die Zahlen der exergoökonomischen Analyse anders dargestellt, so ergibt sich für

die vorgeschlagene Maßnahme eine eindeutige Empfehlung. Es wird abgeschätzt, dass der

Umbau mit einmaligen Kosten in Höhe von weniger als 2106 e2017 realisierbar ist. Dies führt

unter Berücksichtigung der variablen Kosten zu einem zusätzlichen Gesamtkostenstrom

in Höhe von ca. 5,2 106 ea . Der Einfluss des Strompreises auf die Wirtschaftlichkeit der Um-

baumaßnahme ist gering. Eine Erhöhung des durchschnittlichen Strombörsenpreises für

den überschüssigen elektrischen Strom auf 100 eMWh führt zu einem Erlösstrom von x ea .

Insgesamt kann empfohlen werden, den Einsatz von Elektrizität zur weiteren Vorwärmung

von Verbrennungsluft oder zur anderweitigen Anhebung der Reaktorinnentemperatur zu

prüfen. Limitierend sind neben Filter- oder Trocknerengpässen, die maximale Temperatur,

die von der feuerfesten Ausmauerung vorgegeben wird. Möglicherweise könnte die Ver-

brennungsluft, bevor sie in den Luftvorwärmer 1 geleitet wird, dazu genutzt werden, die

Reaktoren aktiv zu kühlen. Die Temperatur in der Reaktionszone könnte aufgrund des erhöh-

ten Wärmestroms durch die Reaktorwand angehoben werden, und die aus der Umgebung

angesaugte Luft könnte ein Teil des Wärmestroms, welcher bisher an den Reaktorwänden

als Verlust an die Umgebung geht, zurückgewinnen.

Selbst wenn sich eine Erhöhung der Verbrennungslufttemperatur in der realen Anlage tech-

nisch nicht bis auf ein Temperaturniveau von 900 °C umsetzen lässt, könnte die elektrisch

unterstützte Vorwärmung auf ein geringeres Temperaturniveau ebenfalls vorteilhaft sein.

Ablagerungen verschlechtern mit der Zeit die Wärmeübertragung in den Luftvorwärmern.

Mit zunehmendem Fouling in den Luftvorwärmern sinkt die erreichbare Verbrennungs-

lufttemperatur. Eine nachgeschaltete elektrische Luftvorwärmung könnte den negativen

120


Einfluss des Foulings auf die Wirtschaftlichkeit der Anlage auch bei Temperaturen wie im

Bestandssysten ausgleichen.

121

6. Zusammenfassung und Ausblick

In dieser Arbeit werden exergiebasierte Methoden angewandt, um eine bestehende Carbon

Black Produktionsanlage auf Grundlage verschiedener Bewertungskriterien zu untersuchen

und Maßnahmen zur Verbesserung abzuleiten. Die Bestandsanlage wird dazu in einem

ersten Szenario (Szenario I) in einer Fließbildsimulation abgebildet. Für die Anwendung

der Methoden wird die konventionelle exergoökonomische Kostenanalyse erweitert, sodass

neben einer Kostenminimierung ebenfalls eine Erlös- und eine Deckungsbeitragsmaximie-

rung als Ziel dieser Methode definiert werden kann. Sie lässt sich damit auf real existierende

Kuppelprozesse zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit anwenden. Die Ergebnisse für das

Bestandssystem dienen zur Ableitung effizienter Prozessdesigns. Es werden zunächst drei

alternative Anlagendesigns (Szenarien II bis IV) simuliert und mit den gleichen Methoden

wie das bestehende System untersucht. Aus den Ergebnissen der Analysen wird eine Umbau-

maßnahme (Szenario V) abgeleitet, mit der die Effizienz der bestehenden Anlage sowohl

exergetisch als auch ökonomisch und ökologisch verbessert werden kann.

Die größten Potentiale zur Verbesserung des Bestandssystems (Szenario I) lassen sich je

nach Bewertungskriterium in verschiedenen Anlagenbereichen identifizieren.

Laut den Ergebnissen der Exergieanalyse vernichten die Reaktoren mehr als 15% der insge-

samt aufgewandten Exergie. Daher konzentriert sich die Suche nach Verbesserungsmaßnah-

men auf diesen Teil der Gesamtanlage.

Bei der exergoökonomischen Kostenanalyse fällt eine Besonderheit innerhalb der Reaktoren

auf. Die Kostengestehung durch den Quenchvorgang wird hauptsächlich durch Exergie-

vernichtung und weniger durch Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten des Quenchs

verursacht. Hieraus leitet sich die Maßnahme ab, einen Teil des Quenchwassers zu sub-

stituieren. Dazu werden Dampferzeuger eingesetzt, deren Dampf in einen bestehenden

Wasserdampfkreislauf der KWK-Anlage zur Stromproduktion eingekoppelt wird.

Die Ergebnisse der exergoökonomischen Erlösanalyse für die Bestandsanlage deuten darauf

123

Kapitel 6 Zusammenfassung und Ausblick

hin, dass im Vergleich zu den anderen untersuchten Komponentengruppen, der größte durch

Irreversibilitäten verursachte Erlösvernichtungsstrom in den Reaktionszonen der Reaktoren

auftritt. Dies ergibt sich daraus, dass hier die Exergie eines vergleichsweise wertvollen Zwi-

schenprodukts vernichtet wird. Schließlich wird in den Reaktionszonen das Hauptprodukt

erzeugt, dessen Exergie vom Markt signifikant höher als die der Nebenprodukte bewer-

tet wird. Eine Möglichkeit, die Effizienz der Reaktionszonen zu verbessern besteht darin,

die Temperatur der Verbrennungsluft anzuheben. Der Einfluss einer solchen Temperatu-

ranhebung wird in dem Szenario III zunächst isoliert untersucht. Im Szenario IV folgt die

Untersuchung des Prozesses, bei dem eine Maßnahmenkombination aus Quenchsubstituti-

on und Temperaturanhebung simuliert wird.

Die Ergebnisse der Deckungsbeitragsanalyse ergeben, dass sämtliche Material- und Ener-

gieströme, die innerhalb der KWK-Anlage auftreten, negative Deckungsbeiträge aufweisen.

Grund hierfür sind die im Vergleich zu den Marktpreisen für Elektrizität und Wärme hohen

Kosten für Restgas und Heißluft sowie Fixkosten der Komponenten. Bei näherer Betrachtung

prozessinterner Antriebe fällt auf, dass die elektrische Leistung einen positiven Deckungsbei-

trag aufweist, wenn sie zur Produktion von Carbon Black beiträgt. Der Strom, der hingegen

für Pumpen im Bereich der KWK-Anlage eingesetzt wird, hat einen negativen Deckungsbei-

trag.

Das zweite Szenario (Szenario II), welches in dieser Arbeit untersucht wird, ergibt sich aus der

exergoökonomischen Kostenanalyse des Bestandssystems. Der exergoökonomische Faktor

des Quenchvorgangs deutet darauf hin, dass die Ursachen für die Kostengestehung nicht

im Gleichgewicht sind. Demnach sollten die Gestehungskosten dadurch gesenkt werden

können, dass in eine effizientere Kühlung des Restgas-CB-Gemisches im Reaktor investiert

wird. Es wird daher ein Prozessdesign simuliert, bei dem sämtliche Reaktoren mit Dampfer-

zeugern ausgestattet sind.

Das Ergebnis der Exergieanalyse zeigt für das Szenario II gegenüber dem Szenario I eine

Verringerung des Exergieverlustquotienten von mehr als 10% und eine Verbesserung der

Exergieeffizienz der Gesamtanlage um etwa 15%.

Wegen des hohen Einflusses dieser Exergieeffizienz auf den Umwelteinfluss37, wird das

exergetische Gesamtprodukt mit einer ca. 3% geringeren Umweltlast hergestellt.

Mit Hilfe der exergoökonomischen Kostenanalyse kann tatsächlich eine Reduzierung der

exergetischen Gesamtproduktgestehungskosten identifiziert werden. Die Kosteneffizienz,

37 Ca. 94% der Umweltlast wird durch den Einsatz von Rohstoffen verursacht (siehe Tabelle 5.6)

124

mit der das exergetisch bewertete Gesamtprodukt hergestellt wird, verbessert sich um rund

0,1%.

Da der zusätzliche Dampf jedoch eingesetzt wird, um Elektrizität zu erzeugen, ist das Ergeb-

nis der exergoökonomischen Erlösanalyse nicht positiv. Die Erlöseffizienz verringert sich

gegenüber dem Bestandssystem um nahezu 2%.

Werden die Deckungsbeiträge exergoökonomisch untersucht, ergibt sich sogar eine Verrin-

gerung der Wirtschaftlichkeit in Höhe von rund 6%.

Das dritte Szenario (Szenario III) ergibt sich aus der exergoökonomischen Erlösanalyse des

Bestandssystems, wonach die Exergievernichtung der Reaktionszonen einen besonders ho-

hen Einfluss auf die Erlösvernichtung hat. Es wird ein Prozessdesign untersucht, bei dem

einige bestverfügbare Luftvorwärmer genutzt werden, um die Temperaturen in Reaktionszo-

nen anzuheben.

Die Exergieeffizienz sowie der Exergieverlustquotient lassen sich gegenüber der Bestands-

anlage durch den simulierten Einsatz bestverfügbarer Luftvorwärmer nicht so deutlich

verbessern, wie durch den Einsatz von Dampferzeugern in allen Reaktoren. Allerdings wird

lediglich bei der Hälfte der Erzeugungseinheiten die Nutzung bestverfügbarer Luftvorwärmer

simuliert. Obwohl im Szenario III weniger Reaktoren von der Maßnahme betroffen sind,

wird der Umwelteinfluss in gleicher Größenordnung wie beim Szenario II gegenüber dem

Bestandssystem (um ca. 3%) verringert.

Die Motivation zur Untersuchung der Temperaturanhebung lässt sich aus den Ergebnissen

der exergoökonomischen Erlösanalyse ableiten. Tatsächlich nimmt die Wirtschaftlichkeit,

mit der der Erlösstrom des gesamten Produkts hergestellt wird, um rund 4,6% zu. Das Ver-

hältnis aus Gesamtdeckungsbeitragsstrom und Gesamtkostenstrom lässt sich sogar um

mehr als 15% steigern.

Szenario IV stellt eine Kombination der Prozessanpassungen aus den Szenarien II und III

dar. Die darin enthaltenen Maßnahmen zur Prozessverbesserung beeinflussen sich gegen-

seitig, sodass die negative Auswirkung der einen Maßnahme auf ein Bewertungskriterium,

durch die positive Auswirkung der anderen Maßnahme auf das gleiche Bewertungskrite-

rium aufgehoben werden kann. Insgesamt führt eine Maßnahmenkombination zu einer

Verbesserung der Exergie- und Umwelteffizienz von ca. 5% und ist damit ökologisch effizi-

enter als die der Anlagen in den Szenarien I bis III. Das Szenario IV weist eine um rund 3%

größere Kosteneffizienz als die Bestandsanlage auf. Obwohl der isoliert betrachtete Einsatz

125

Kapitel 6 Zusammenfassung und Ausblick

von Dampferzeugern in Reaktoren die Wirtschaftlichkeit reduziert, verbessert sich durch

den kombinierten Einsatz von Dampferzeugern und bestverfügbaren Luftvorwärmern die

Deckungsbeitragseffizienz der Gesamtanlage um mehr als 10% gegenüber dem Bestandssys-

tem.

Die Temperaturanhebung durch bestverfügbare Luftvorwärmer führt zu einer signifikanten

Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Gemeinsam mit den Beobachtungen aus der exergo-

ökonomischen Erlös- und Deckungsbeitragsanalyse des Bestandssystems wird daher eine

Umbaumaßnahme abgeleitet, bei der die Verbrennungslufttemperaturanhebung durch

elektrischen Strom vorgenommen wird. Da es sich um eine Maßnahme zum Umbau des

Bestandssystems handelt, sind die Fixkosten sowie die Umweltlasten, die sich aus Herstel-

lung, Betrieb, Wartung und Entsorgung von Bestandskomponenten ergeben, nicht in den

Analysen des Szenarios V enthalten. Tatsächlich kann die Deckungsbeitragseffizienz des

bestehenden Systems unter Vernachlässigung bestehender Fixkosten um rund xx% erhöht

werden. Der Umbau der Anlage wird grob mit Investitionskosten in Höhe von weniger als

2106 e2017 abgeschätzt. Die sich daraus ergebenden Einsparungen belaufen sich zu einem

zusätzlichen Deckungsbeitragsstrom in Höhe von etwa xx ea . Neben dem Einfluss auf die

Wirtschaftlichkeit wirkt sich die Maßnahme positiv auf die exergetische und ökologische

Effizienz der Gesamtanlage aus. Es wird daher empfohlen, eine Realisierung dieser Maß-

nahme näher zu untersuchen. Des Weiteren kann als Ergebnis abgeleitet werden, dass sich

die Rückkopplung von Elektrizität zur Effizienzverbesserung des Reaktionsprozessschrittes

positiv auf die Wirtschaftlichkeit des Gesamtprozesses auswirkt. Es sollten daher weitere

Möglichkeiten gesucht werden, wie elektrischer Strom neben der Temperaturerhöhung zu-

sätzlich genutzt werden kann, um den Reaktor bei der Produktion des Hauptproduktes zu

unterstützen.

Die Erweiterung der exergoökonomischen Analyse um die Bewertungskriterien Erlöse und

Deckungsbeiträge ist sinnvoll, um betriebswirtschaftlich motiviert effizienzsteigernde Maß-

nahmen in realen Anlagen zur Kuppelproduktion abzuleiten. Die kostenverursachergerechte

Erlöszuteilung erweist sich dabei als zweckmäßig, um die Erlösströme in komplexen Anlagen-

designs auf bekannte Kostenströme umzulegen. Das Verfahren kann Ingenieuren zukünftig

als Werkzeug dienen, Prozessverbesserungen flexibel im Einklang mit Veränderungen von

Marktpreisverhältnissen abzuleiten. Damit kann die in dieser Arbeit präsentierte Vorgehens-

weise genutzt werden, um Wettbewerbsvorteile für Betreiber von Kuppelproduktionsanlagen

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zu erarbeiten. Maßnahmen zur Erhöhung der Ressourceneffizienz lassen sich mit Hilfe

der exergiebasierten Analysen identifizieren. Durch die Bewertung dieser Maßnahmen mit

verschiedenen Bewertungskriterien lässt sich ein Maßnahmenportfolio zusammenstellen,

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138

http://dx.doi.org/https://doi.org/10.1016/B978-0-08-096659-5.00008-0

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139



A. Anhang

A.1 Annahmen Kostenanalyse

A.1.1 Generelle Annahmen

Es sind im Rahmen des Projekts EBilCa-CB Kostenfunktionen entwickelt worden, um eine

möglichst automatisierbare Berücksichtigung der Fixkosten in Anlagen im industriellen Maß-

stab zu gewährleisten [74]. Dabei sind Basiskosten einzelner Komponenten in die Recherche

eingeflossen. Je nach Erfordernis, werden diese Basiskosten mit Hilfe von Korrekturtermen

für abweichende Drücke, Temperaturen und Materialen multipliziert. Ein Modulfaktor in

Höhe von 3,18 wird zusätzlich zu der Gemeinkostenabschätzung für das gesamte Werk für

einzelne Komponenten wie die Perlmaschinen verwendet, deren Investitionskosten sonst

im Vergleich zu den übrigen Komponenten zu gering abgeschätzt wirken (vgl. [47]). Eine

übergeordnete Gemeinkostenabschätzung erfolgt auf Grundlage der Anschaffungskosten

(engl.: Purchased Equipment Cost - PEC) aller Komponenten. Der Gesamtkapitalbedarf

(engl.: Total Capital Investment - TCI) der Anlage ergibt sich, indem die PEC der einzelnen

Komponenten kumuliert und mit zusätzlichen Kosten verrechnet werden. Dazu werden die

in der Tabelle 1.1 aufgelisteten Annahmen getroffen.

Für die Betriebs- und Wartungskosten wird pauschal ein Wert von 5% der Investitionskosten,

bezogen auf das Jahr 2017, je Komponente angesetzt. In Anlehnung an [23, 24, 27] wird für

die Komponenten pauschal eine Nutzungsdauer von 20 Jahren angenommen. Es wird die

Annahme getroffen, dass die Anlage jährlich mit 8.000 Benutzungsstunden gefahren wird.

Die angenommene Bauzeit einer Neuanlage beträgt zwei Jahre. Für diesen Zeitraum werden

die mittleren Kosten des Geldes, in Form von Zinsen auf das Fremdkapital, berücksichtigt.

Da das Unternehmen, dessen Anlage untersucht wird, zu etwa 93% fremdkapitalisiert ist

141

Anhang A Anhang

Tabelle 1.1: Aufschlüsselung des Kapitalbedarfs für Gemeinkosten

Ingenieurleistungen 50 % von PECRohrleitungen 50 % von PECInstallation der Anlagenkomponenten 45 % von PECMess- und Regelungstechnik 20 % von PECUnvorhergesehenes 15 % von PECUmlaufkapital 15 % von FCI exklusive UmlaufkapitalElektrische Ausrüstung 10 % von PECInbetriebnahme 10 % von PEC

und der aktuelle Zinssatz mit 2,75% angegeben wird [34], werden die mittleren Kosten des

Geldes zu ca. 2,56% abgeschätzt. Der in der Arbeit ermittelte Deckungsbeitragsstrom dient

somit zunächst der Deckung nicht berücksichtigter Fixkosten. Der übrige Gewinn bezieht

sich auf das eingesetzte Eigenkapital.

A.1.2 Kostenfunktionen

Die nachfolgend präsentierten Kostenfunktionen sind durch die Zuarbeit von Herrn Alex-

ander Maywurm im Rahmen des Projekts EBilCa-CB entstanden [74]. Kosten von weiteren

Komponenten werden direkt mit Hilfe von Literaturangaben abgeschätzt [69, 100].

Tabelle 1.2: Kostenfunktionen für Abhitzekessel

Einflussgrößen Übertragener Wärmestrom Q kW

Dampfdruck p bar

Basiskostenfunktion Bis 11.000 kW C0 = 1.487,0 ·(

QkW

)0,784e2013

Ab 11.000 kW C0 = 3249,3 ·(

QkW

)0,6e2013

Druckkorrektur Ab 10 bar fp = 0,00004 ·(

pDampf

bar

)2 +0,0024 ·(

pDampf

bar

)+0,9947

Berücksichtigte Quellen Herleitung der Kostenfunktion u. a. [55, 51, 66]

Plausibilität der Degressionsexponenten [51, 43, 41, 46]

142


Tabelle 1.3: Kostenfunktionen für Dampfturbinen

Einflussgröße Wellenleistung Wmech kWmech

Kostenfunktion I 100 bis 10.000 kWmech PEC = 13.032 ·(

WmechkWmech

)0,5991e2013

Kostenfunktion II 10.000 bis 50.000 kWmech PEC = 517 ·(

WmechkWmech

)0,9095e2013

Kostenfunktion III ab 50.000 kWmech PEC = 890 ·(

WmechkWmech

)0,8593e2013

Berücksichtigte Quellen Herleitung der Kostenfunktion u. a. [55, 82, 100, 99, 69, 51, 45, 79, 29, 67, 28]

Plausibilität der Degressionsexponenten [41, 55, 51]

143

Anhang A Anhang

Tabelle 1.4: Kostenfunktionen für Industriekesselanlagen

Einflussgrößen Dampferzeugung mDampfkgh

Dampfdruck p bar

Frischdampfüberhitzung ∆T °C

Basiskostenfunktion 10.000 bis 700.000 kgh C0 = 322,79 ·

(mDampf

kgh

)0,8019

e2013

Druckkorrektur Bis zu einem Dampfdruck p fp

30 bar 1,00

40 bar 1,06

50 bar 1,15

70 bar 1,30

Überhitzungskorrektur Frischdampfüberhitzung ∆T fT

0 °C(gesättigter Dampf) 1,00

50 °C 1,10

100 °C 1,15

150 °C 1,20

Berücksichtigte Quellen Herleitung der Kostenfunktion u. a. [82, 100, 51, 39, 71, 72]

144


Tabelle 1.5: Kostenfunktionen für Rohrbündelwärmeübertrager

Einflussgrößen Wärmeübertragerfläche A m2

Dampfdruck p bar

Material

Basiskostenfunktionen 10 bis 40 m2 C0 = 5.317,5 ·(

Am2

)0,3103e2013

40 bis 1.000 m2 C0 = 1.546,5 ·(

Am2

)0,6453e2013

Ab 1.000 m2 C0 = 792,32 ·(

Am2

)0,9663e2013

Druckkorrektur Mantel-(M) und Innenrohrseitig (I) fp =−0,00001 · ( pbar

)2 +0,0052 · pbar +0,9726

Nur Innenrohrseitig fp =−0,00005 · ( pbar

)2 +0,0017 · pbar +0,9913

Materialkorrektur Material fM

C-Stahl (M) / C-Stahl (I) 1,0

C-Stahl (M) / Kupfer (I) 1,25

Kupfer (M) / Kupfer (I) 1,6

C-Stahl (M) / Rostfreier Stahl (I) 1,7

Rostfreier Stahl (M) / Rostfreier Stahl (I) 3,0

C-Stahl (M) / Nickel (I) 2,8

Nickel (M) / Nickel (I) 3,8

C-Stahl (M) / Titan (I) 7,2

Titan (M) / Titan (I) 12,0

Konstruktionskorrektur Konstruktion fK

Feste Rohrböden 1,00

U-Rohr 1,06

Schwimmkopf 1,25

Kessel, Reboiler 1,69

Berücksichtigte Quellen Herleitung der Kostenfunktion u. a. [39, 71, 55, 69, 100, 83, 99]

Plausibilität der Degressionsexponenten [83, 100, 41, 71, 39, 84]

145

Anhang A Anhang

A.2 Annahmen Lebenszyklusanalyse

A.2.1 Generelle Annahmen

Für die Durchführung der Lebenszyklusanalyse werden möglichst viele Annahmen aus der

Kostenanalyse übernommen. Zum Beispiel wird für die Komponenten ebenfalls eine Nut-

zungsdauer von 20 Jahren mit jeweils 8.000 Benutzungsstunden angenommen. Um den

Einfluss durch den Einsatz von Materialien zum Bau von Komponenten zu ermitteln, wird

zunächst das Gewicht einer Komponente mit Hilfe der Gewichtsfunktionen im Abschnitt

A.2.2 abgeschätzt. Diese sind im Rahmen des Projekts EBilCa-CB entstanden und ergeben

sich aus der Analyse diverser Datenblätter verschiedener Hersteller, die teilweise die materi-

elle Zusammensetzung von Komponenten angeben [74]. Das Gewicht von Komponenten,

für die keine Gewichtsfunktion angegeben ist, wird entweder direkt mit Herstellerangaben

oder mit Ingenieursverständnis überschlagen. Für den Umwelteinfluss durch Betrieb und

Wartung wird pauschal ein Wert in Höhe von 5% des Einflusses angenommen, welcher

sich aufgrund der verbauten Materialien von Komponenten und deren Gewicht ergibt. Für

die Herstellung und Entsorgung von Komponenten werden Umwelteinflüsse mit Hilfe der

Annahmen aus der nachfolgenden Tabelle 1.6 berechnet. Sie sind an den Annahmen für

Herstellung und Entsorgung von Komponenten in den Quellen [75, 38, 57] angelehnt und

sind, sofern nicht anders angegeben, für solche Komponenten berücksichtigt, die nicht Teil

der bereits bestehenden Anlage sind.

146


Tab

elle

1.6:

Gen

erel

leA

nn

ahm

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ber

Um

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tbel

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Pts

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40%

147

Anhang A Anhang

Tab

elle

1.7:

An

nah

men

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erd

iem

ater

ielle

Zu

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men

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un

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--

--

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0,03

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--

0,76

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0,04

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--

--

--

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--

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0,45

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-

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0,55

-

Zin

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00-

--

0,18

--

--

148


Tab

elle

1.8:

An

nah

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ielle

Zu

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2

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Ku

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27-

Sch

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Sch

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180

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--

--

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Stah

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110

--

--

--

-

Zin

k32

00-

--

0,18

--

-

149

Anhang A Anhang

A.2.2 Gewichtsfunktionen

Die nachfolgend präsentierten Gewichtsfunktionen sind durch die Zuarbeit von Herrn

Alexander Maywurm im Rahmen des Projekts EBILCA-CB entstanden [74] und dienen zur

Abschätzung der Anlagenkomponenten dieser Arbeit. Für die Gewichtsabschätzung weiterer

Komponenten wird auf Programme und Annahmen zurückgegriffen, die im Rahmen der

Arbeit [86] erstellt wurden.

Tabelle 1.9: Gewichtsfunktionen für Abhitzekessel

Einflussgrößen Verdampferleistung Qth kWth

Dampfmassenstrom mDampfkgh

Gewichtsfunktion m = f (Qth) 200 kWth bis 1.000 kWth m =[

5,4261 ·(

QthkWth

)+3.537,4

]kg

1.000 kWth bis 9.000 kWth m =[

37,315 ·(

QthkWth

)0,7918]

kg

Gewichtsfunktion m = f (mDampf) 300 kgh bis 2.000 kg

h m =[

3,6684 ·(

mDampfkgh

)+3.537,2

]kg

2.000 kgh bis 15.000 kg

h m =[

30,057 ·(

mDampfkgh

)0,7745]kg

Berücksichtigte Quellen Herleitung der Gewichtsfunktion u. a. [53, 101, 37, 104, 103, 85, 102, 70, 64]

Tabelle 1.10: Gewichtsfunktionen für Dampfturbinen

Einflussgröße Wellenleistung Wmech kWmech

Kondensationsturbine 0,7 MWmech bis 700 MWmech m =[

13,62 ·(

WmechkWmech

)0,8411 +5.686

]kg

Gegendruckturbine 0,5 MWmech bis 9 MWmech m =[

68,19 ·(

WmechkWmech

)0,6343 +2.100

]kg

Einstufige Turbine 0,15 MWmech bis 2,5 MWmech m =[

54,92 ·(

WmechkWmech

)0,4018]

kg

Berücksichtigte Quellen Herleitung der Gewichtsfunktion Datenblätter diverser Hersteller

150

Tabelle 1.11: Gewichtsfunktionen für Rohrbündelwärmeübertrager

Einflussgrößen Wärmeübertragerfläche A m2

Rohraußendurchmesser d0 mm

Rohr- und mantelseitiger Druck p bar

Gewichtsfunktion m =[

0,09749 ·(

Am2

)0,8349 ·(

d0mm

)2,228]

kg

Berücksichtigte Quellen Herleitung der Gewichtsfunktion u. a. [63, 87, 62, 42]

Tabelle 1.12: Gewichtsfunktionen für Pumpen

Einflussgrößen Massenstrom m kgmin

Wellenleistung Wmech kWmech

Gewichtsfunktion bis 5.000 kgmin und 55 kWmech m =

[5,4261 ·

(Qth

kWth

)+3.537,4

]kg

1.000 kWth bis 9.000 kWth m =[

37,315 ·(

QthkWth

)0,7918]

kg

Gewichtsfunktion m = f (mDampf) 300 kgh bis 2.000 kg

h m =[

3,6684 ·(

mDampfkgh

)+3.537,2

]kg

2.000 kgh bis 15.000 kg

h m =[

30,057 ·(

mDampfkgh

)0,7745]kg

Berücksichtigte Quellen Herleitung der Gewichtsfunktion u. a. [53, 101, 37, 104, 103, 85, 102, 70, 64]

Anhang A Anhang

A.3 Exergetische Wirkungsgradsdefinitionen

Nachfolgend sind die exergetischen Nutzen- und Aufwandsdefinitionen relevanter Kom-

ponentengruppen angegeben. Komponenten, die in den Gruppen ”Sonstige Produktion”,

”Sonstige Nachbehandlung” und ”Sonstige Kraftwerk” zusammengefasst sind, weisen unter-

schiedliche Definitionen auf.

Reaktionszonen

.E P=

.E

PHRestgas,Austritt −

.E

PHRauchgas,Eintritt −

.E

PHÖl + .

E CB (1.1).

E F=.

ECHRauchgas,Eintritt +

.E

CHÖl − .

ECHRestgas,Austritt (1.2)

Vorbrennkammern

.E P=

.E Rauchgas −

.E Luft (1.3)

.E F=

.E Brennstoff

(+ .

W el

)(1.4)

Quenchzonen

.E P=

.E Restgas/CB,Austritt (1.5)

.E F=

.E Restgas/CB,Eintritt +

.E Wasser (1.6)

Luftvorwärmer

.E P=

.E Luft,Austritt −

.E Luft,Eintritt (1.7)

.E F=

.E Restgas/CB,Eintritt −

.E Restgas/CB,Austritt (1.8)

152

A.3 Exergetische Wirkungsgradsdefinitionen

CB-Filter

.E P=

.E

CHRestgas,Austritt +

.E

CHCB,Austritt −

.E

CHRestgas/CB,Eintritt (1.9)

.E F=

.E

PHRestgas/CB,Eintritt −

.E

PHRestgas,Austritt −

.E

PHCB,Austritt (1.10)

Trommeltrockner

.E P=

.E Heißluft/CB,Austritt −

.E Heißluft/CB,Eintritt (1.11)

.E F=

.E Rauchgas,Eintritt −

.E Rauchgas,Austritt (1.12)

Trocknungsbrenner

.E P=

.E Rauchgas,Austritt −

.E Heißluft,Eintritt (1.13)

.E F=

.E Restgas,Eintritt (1.14)

Brenner in Dampferzeugern

.E P=

.E Rauchgas,Austritt −

.E Heißluft,Eintritt −

.E Sekundärluft,Eintritt (1.15)

.E F=

.E Restgas,Eintritt (1.16)

Wärmeübertrager in Dampferzeugern

.E P=

.E Wasserdampf,Austritt −

.E Speisewasser,Eintritt (1.17)

.E F=

.E Rauchgas,Eintritt −

.E Rauchgas,Austritt (1.18)

153

Anhang A Anhang

Dampfturbinen

.E P=

.W el (1.19)

.E F=

.E Dampf,Eintritt −

.E Dampf,Austritt (1.20)

Vorwärmer

.E P=

.E kalt,Austritt −

.E kalt,Eintritt (1.21)

.E F=

.E warm,Eintritt −

.E warm,Austritt (1.22)

154

A.4 Ergebnistabellen


Im folgenden Teil des Anhangs sind die detaillierten Ergebnistabellen für die relevanten

Komponentengruppen der untersuchten Szenarien präsentiert. Dabei werden jeweils die

Ergebnisse der Exergieanalyse, der exergoökonomischen sowie der exergoökologischen Ana-

lyse für relevante Komponentengruppen in einer Tabelle dargestellt. Für die unter ”Sonstige

Produktion”, ”Sonstige Nachbehandlung” und ”Sonstige Kraftwerk” zusammengefassten

Komponenten gelten keine einheitlichen Definitionen für Nutzen und Aufwände. Dies ist

bei einer Interpretation der angegebenen Ergebnisse zu berücksichtigen.

155

Anhang A Anhang

Tab

elle

1.13

:Erg

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Szen

ario

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Anhang A Anhang

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165

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167

Anhang A Anhang

A.5 Prozessfließbilder

Die Prozessfließbilder der Gesamtanlage werden aufgrund möglicher Betriebsgeheimnisse

nicht veröffentlicht, liegen jedoch dem Anlagenbetreiber vor. Die aus den Fließbildern

abgeleiteten Aussagen sind in der Arbeit allgemeingültig gehalten.

168

Exergetische Untersuchung einer Carbon Black Anlage

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Transcript of Exergetische Untersuchung einer Carbon Black Anlage