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
Nomenklaturverzeichnis
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
Deckungsbeitrags-2-strombezogene
Wirtschaftlichkeit des Gesamtprodukts−
εO.
OIP
Deckungsbeitrags-1-strombezogene
Wirtschaftlichkeit des Gesamtprodukts−
xii
Nomenklaturverzeichnis
εO.
OIC B
Deckungsbeitrags-1-strombezogene
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
Nomenklaturverzeichnis
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
Nomenklaturverzeichnis
.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
Nomenklaturverzeichnis
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
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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
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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
2.2 Carbon Black Prozess
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
Kapitel 2 Hintergrund
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
2.2 Carbon Black Prozess
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
Kapitel 2 Hintergrund
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
2.2 Carbon Black Prozess
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
Kapitel 2 Hintergrund
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
Kapitel 3 Methodische Grundlagen
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 Exergoökonomische Analyse
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
Kapitel 3 Methodische Grundlagen
• 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
3.4 Exergoökonomische Analyse
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
Kapitel 3 Methodische Grundlagen
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
3.4 Exergoökonomische Analyse
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
Kapitel 3 Methodische Grundlagen
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
3.4 Exergoökonomische Analyse
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
Kapitel 3 Methodische Grundlagen
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
3.4 Exergoökonomische Analyse
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
Kapitel 3 Methodische Grundlagen
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
3.4 Exergoökonomische Analyse
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
Kapitel 3 Methodische Grundlagen
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
3.4 Exergoökonomische Analyse
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
Kapitel 3 Methodische Grundlagen
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)
3.5 Exergoökologische Analyse
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
Kapitel 3 Methodische Grundlagen
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
3.5 Exergoökologische Analyse
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
Kapitel 3 Methodische Grundlagen
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
4.2 Allgemeine Hinweise und Annahmen
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
Kapitel 4 Modellierung und Annahmen
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
4.2 Allgemeine Hinweise und Annahmen
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
Kapitel 4 Modellierung und Annahmen
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
4.2 Allgemeine Hinweise und Annahmen
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
Kapitel 4 Modellierung und Annahmen
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
4.2 Allgemeine Hinweise und Annahmen
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
Kapitel 4 Modellierung und Annahmen
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
4.2 Allgemeine Hinweise und Annahmen
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
Kapitel 4 Modellierung und Annahmen
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
4.2 Allgemeine Hinweise und Annahmen
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
Kapitel 4 Modellierung und Annahmen
• 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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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 5.3: 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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
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 5.4: 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
Kapitel 5 Ergebnisse
0 €/h
200 €/h
400 €/h
600 €/h
800 €/h
1,000 €/h
1,200 €/h
1,400 €/h
1,600 €/h
CD Z
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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 5.6: 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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
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
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 5.7: 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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
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 5.9: 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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
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
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 5.10: 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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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 Analyse des bestehenden Systems
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
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 5.12: 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
Kapitel 5 Ergebnisse
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 5.13: 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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
-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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
5.1 Analyse des bestehenden Systems
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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 Analyse des bestehenden Systems
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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 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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
0%
1%
2%
3%
4%
5%
6%
7%
8%
9%
10%
Exe
rgie
vern
icht
ungs
quot
ient
Szenario I Szenario II
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
Kapitel 5 Ergebnisse
Tabelle 5.7: Ergebnisvergleich von Exergieanalysen - Szenario II
Einheit Szenario I Szenario II
Eintretende Ströme.
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
Austretende Ströme.
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Das ergibt eine Verbesserung des Exergieverlustquotienten von über 11%. Die anhand der
Exergieeffizienz gemessene thermodynamische Performance der Gesamtanlage wird um
rund 3% gesteigert.
81
Kapitel 5 Ergebnisse
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
Szenario I Szenario II
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.8: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario II
Einheit Szenario I Szenario II
Aufwände
cF,Sonstige Cn Hme2017
MWhex27,84 27,84
cF,Öle2017
MWhex29,45 29,45
cF,Antriebee2017
MWhex124,66 130,27
Produkte
cP,Elektrizitäte2017
MWhex124,66 130,27
cP,Wärmee2017
MWhex140,11 144,47
cP,CBe2017
MWhexxx xx
EffizienzkennzahlenεC
.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
Kapitel 5 Ergebnisse
0 €/h
200 €/h
400 €/h
600 €/h
800 €/h
1,000 €/h
1,200 €/h
1,400 €/h
Szenario I Szenario II
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.9: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario II
Einheit Szenario I Szenario II
Aufwände
rF,Sonstige Cn Hme2017
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
rP,Elektrizität (Brutto)e2017
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
Kapitel 5 Ergebnisse
-800 €/h
-600 €/h
-400 €/h
-200 €/h
0 €/h
200 €/h
400 €/h
600 €/h
Szenario I Szenario II
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.10: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario II
Einheit Szenario I Szenario II
Aufwände
oF,Sonstige Cn Hme2017
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
oP,Elektrizität (Brutto)e2017
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
Kapitel 5 Ergebnisse
0 Pts/h
100 Pts/h
200 Pts/h
300 Pts/h
400 Pts/h
500 Pts/h
600 Pts/h
Szenario I Szenario II
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.11: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario II
Einheit Szenario I 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
ProduktebP,Elektrizität (Brutto)
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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 Analyse alternativer Szenarien
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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 Analyse alternativer Szenarien
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
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.12: Ergebnisvergleich von Exergieanalysen - Szenario III
Einheit Szenario I Szenario III
Eintretende Ströme.
E F,Sonstige Cn Hm MWex 47,07 47,07.
E F,Öl MWex 260,51 281,46.
E F,Andere MWex 5,33 5,32.
E F,Gesamt MWex 312,91 333,85
Austretende Ströme.
E P,Elektrizität (Netto) MWex 23,64 24,98.
E P,Wärme MWex 1,89 2,86.
E P,CB MWex 133,74 146,58.
E P,Gesamt MWex 159,27 174,42.
E L,Gesamt MWex 19,45 19,31
KennzahlenεGesamt % 50,90 52,25Veränderung 2,6 %yL,Gesamt % 6,22 5,78Veränderung -7,0 %
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
Kapitel 5 Ergebnisse
0 €/h
200 €/h
400 €/h
600 €/h
800 €/h
1000 €/h
1200 €/h
1400 €/h
1600 €/h
Szenario I Szenario III
D
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.13: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario III
Einheit Szenario I Szenario III
Aufwände
cF,Sonstige Cn Hme2017
MWhex27,84 27,84
cF,Öle2017
MWhex29,45 29,45
cF,Antriebee2017
MWhex124,66 123,48
Produkte
cP,Elektrizitäte2017
MWhex124,66 123,48
cP,Wärmee2017
MWhex140,11 134,39
cP,CBe2017
MWhexxx xx
EffizienzkennzahlenεC
.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
Kapitel 5 Ergebnisse
0 €/h
200 €/h
400 €/h
600 €/h
800 €/h
1000 €/h
1200 €/h
1400 €/h
Szenario I Szenario III
𝑅𝑅 𝐷𝐷+𝑍𝑍
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.14: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario III
Einheit Szenario I Szenario III
Aufwände
rF,Sonstige Cn Hme2017
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
rP,Elektrizität (Brutto)e2017
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
Kapitel 5 Ergebnisse
-1000 €/h
-800 €/h
-600 €/h
-400 €/h
-200 €/h
0 €/h
200 €/h
400 €/h
600 €/h
Szenario I Szenario III
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.15: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario III
Einheit Szenario I Szenario III
Aufwände
oF,Sonstige Cn Hme2017
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
oP,Elektrizität (Brutto)e2017
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
Szenario I Szenario III
CB Erzeugung CB Nachbehandlung KWK-Anlage
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
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
Einheit Szenario I Szenario III
AufwändebF,Sonstige Cn Hm
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
ProduktebP,Elektrizität (Brutto)
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
kgCBmPts 3.444 3.533
Veränderung 2,6 %εB
.E P
MWhexmPts 38,90 40,02
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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 Analyse alternativer Szenarien
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
Austretende Ströme.
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
cF,Sonstige Cn Hme2017
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
cP,Elektrizitäte2017
MWhex124,66 130,27 123,48 127,16
cP,Wärmee2017
MWhex140,11 144,47 134,39 135,46
cP,CBe2017
MWhexxx xx xx xx
EffizienzkennzahlenεC
.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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.19: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario IV
Einheit Szenario I Szenario II Szenario III Szenario IV
Aufwände
rF,Sonstige Cn Hme2017
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
rP,Elektrizität (Brutto)e2017
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
Kapitel 5 Ergebnisse
Tabelle 5.20: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario IV
Einheit Szenario I Szenario II Szenario III Szenario IV
Aufwände
oF,Sonstige Cn Hme2017
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
oP,Elektrizität (Brutto)e2017
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 Analyse alternativer Szenarien
5.2.3.3 Exergoökologische Analyse Szenario IV
Tabelle 5.21: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario IV
Einheit Szenario I Szenario II Szenario III Szenario IV
AufwändebF,Sonstige Cn Hm
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
ProduktebP,Elektrizität (Brutto)
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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 Analyse alternativer Szenarien
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
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,Sonstige Cn Hm MWex 47,07 47,07.
E F,Öl MWex 260,51 281,46.
E F,Andere MWex 5,33 5,36.
E F,Gesamt MWex 312,91 333,89
Austretende Ströme.
E P,Elektrizität (Netto) MWex 23,64 22,03.
E P,Wärme MWex 1,89 2,92.
E P,CB MWex 133,74 146,58.
E P,Gesamt MWex 159,27 171,54.
E L,Gesamt MWex 19,45 19,61
KennzahlenεGesamt % 50,90 51,37Veränderung 0,9 %yL,Gesamt % 6,22 5,87Veränderung -5,5 %
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
Kapitel 5 Ergebnisse
5.2.4.2 Exergoökonomische Analyse Szenario V
Tabelle 5.23: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Kostenanalysen - Szenario V
Einheit Szenario I Szenario V
Aufwände
cF,Sonstige Cn Hme2017
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
cP,Elektrizitäte2017
MWhex96,22 96,21
cP,Wärmee2017
MWhex120,08 115,75
cP,CBe2017
MWhexxx xx
EffizienzkennzahlenεC
.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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.24: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Erlösanalysen - Szenario V
Einheit Szenario I Szenario V
Aufwände
rF,Sonstige Cn Hme2017
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
rP,Elektrizität (Brutto)e2017
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
Kapitel 5 Ergebnisse
Tabelle 5.25: Ergebnisvergleich exergoökonomischer Deckungsbeitragsanalysen - Szenario V
Einheit Szenario I Szenario V
Aufwände
oF,Sonstige Cn Hme2017
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
oP,Elektrizität (Brutto)e2017
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
Tabelle 5.26: Ergebnisvergleich exergoökologischer Analysen - Szenario V
Einheit Szenario I Szenario V
AufwändebF,Sonstige Cn Hm
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
ProduktebP,Elektrizität (Brutto)
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
kgCBmPts 3.474 3.562
Veränderung 2,5 %εB
.E P
MWhexmPts 39,24 39,68
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
Kapitel 5 Ergebnisse
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
5.2 Analyse alternativer Szenarien
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
126
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,
welches sowohl ökonomische als auch ökologische Ziele bestmöglich miteinander vereint.
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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
A.1 Annahmen Kostenanalyse
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
A.1 Annahmen Kostenanalyse
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
A.2 Annahmen Lebenszyklusanalyse
Tab
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1.6:
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147
Anhang A Anhang
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148
A.2 Annahmen Lebenszyklusanalyse
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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
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
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1.13
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Szen
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I(B
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156
A.4 Ergebnistabellen
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A.4 Ergebnistabellen
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3.05
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29,2
3.08
8,8
0,9
94,6
0,0
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
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