Komponentenmodellierung und Strukturoptimierung in industriellen Druckluftnetzen

Druckluft ist ein einfach handhabbarer Energieträger, der in der Industrie eine breite Anwendung findet. Druckerei- und Lackierbetriebe sowie Industriezweige mit einem hohen Automatisierungsgrad setzen komprimierte Luft als Arbeits-, Aktivluft und Prozessluft ein. Im Zuge steigender Energiepreise und zunehmendem Umweltbewusstsein wird die Effizienz der Wirkungskette Druckluft seit mehreren Jahren kritisch diskutiert. Die Vorteile der Druckluft wie hohe bauraumbezogene Leistungsdichte sowie Umweltfreundlichkeit und freie Verfügbarkeit des Energieträgers rücken bei Aussagen wie "6% Wirkungsgrad"' und "50% Leckageverluste"' in den Hintergrund. Es ist unbestritten, dass viele Druckluftanlagen energieunwirtschaftlich arbeiten. Dies liegt jedoch oftmals an einem fehlenden Verständnis und dem falschen Umgang mit dem eingesetzten Energieträger. Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des öffentlich geförderten Projektes EnEffAH, das sich intensiv mit den Vor- und Nachteilen des Energieträgers auseinandersetzt. Grundlage für eine aussagekräftige Bewertung der Energieeffizienz einer Druckluftanlage ist das Vorhandensein eines gültigen Bewertungsansatzes. Mit Hilfe des thermodynamischen Konzeptes der Exergie wird ein neuartiges Verfahren vorgestellt. Die graphisch als Flussdiagramm darstellbaren Wirkungsgradangaben werden mit bisherigen Aussagen über sogenannte Energieflussdiagramme verglichen und bewertet. Wird im Gegensatz zur thermodynamischen Energie die Exergie als Effizienzmaß verwendet, ist es möglich neben Durchfluss- und Temperaturänderungen auch Druckänderungen zu berücksichtigen. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad in der Berechnung führt zu einer eindeutigen Trennung der einzelnen Verlustquellen voneinander. Die graphische Darstellung der Exergieströme hilft dem Anwender, auf einfachem Weg einen Überblick über die Effizienz seiner Druckluftanlage zu gewinnen. Der Hauptteil der Arbeit fokussiert sich auf die Entwicklung von Analyse- und Optimierungsverfahren für die Teilgebiete Drucklufterzeugung und -verteilung. Modellbasierte Verfahren bieten den Vorteil, dass durch die Herleitung von dynamischen und statischen Modellen ein tieferes Verständnis für die Abläufe in Prozessen gewonnen werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Verhalten einer Kompressorstation simulativ am Rechner nachgebildet. Dazu wird das dynamische Modell eines Schraubenkompressors hergeleitet und validiert. Über einen gemischt-ganzzahligen Optimierungsansatz sowie eine Metaheuristik werden zwei Algorithmen entwickelt, die eine optimale Betriebsstrategie einer idealisierten Kompressorstation simulieren. Über einen einfach nachvollziehbaren Auslegungsalgorithmus wird der Einfluss der Kompressorwahl auf den Betriebsablauf der Kompressorstation deutlich gemacht. Effizienzeinbußen treten heutzutage hauptsächlich an der Erzeugungseinheit auf. Die Überprüfung der Effektivität einer Kompressorstation durch die vorgestellten Optimierungswerkzeuge kann bei neu geplanten Anlagen oder zur Erneuerung bestehender Anlagen verwendet werden. Bei der Installation von Rohrleitungen treten Dimensionierungsprobleme auf, die sich häufig in unverhältnismäßig hohen Druckabfällen und Versorgungsengpässen ausdrücken. Im Verlauf der Arbeit werden Modellierungsansätze auf verschiedenen Abstraktionsebenen für Schlauch-/Rohrleitungen und Druckluftnetze erarbeitet. Insbesondere wird zum einen ein dynamisches Modell für lange Leitungen vorgestellt, zum anderen wird ein Auslegungsalgorithmus für Rohrleitungsinstallationen in Druckluftnetzen implementiert. Lange Schlauch-/Rohrleitungen sind durch ihr charakteristisches dynamisches Verhalten immer noch eine Herausforderung für existierende Simulationsumgebungen. Für die Bestimmung der optimalen Rohrleitungsinstallation einer Anlage wird ein abstrahierender Modellierungsansatz für ein Gesamtnetz vorgestellt. Die Validierung der hergeleiteten Netzmodelle erfolgt durch die Implementierung einer modellbasierten Leckagedetektion. Gleichzeitig wird deutlich gemacht, wo die Herausforderungen einer modell- und druckbasierten Leckagedetektion liegen. Ein genetischer Algorithmus wird verwendet, um die optimale Struktur und Dimensionierung der Rohrinstallation einer Anlagenhalle hinsichtlich des Druckabfalls und der Installationskosten zu bestimmen. Dabei können zum einen die Rohrleitungsdurchmesser alleine optimiert werden, zum anderen die Durchmesser gekoppelt mit der Topologie. Der vorgestellte Ansatz basiert auf der Annahme, dass das Netz als Verteilungsnetz (im Vergleich zu Speichernetzen) ausgelegt wird und die Lage der Verbraucher bekannt ist. Daraufhin stellt sich die Frage nach einer möglichen Platzierung von dezentralen Zwischenspeichern. Über das systemtheoretische Konzept der Sensitivitätsanalyse wird die Robustheit des Netzes analysiert. Mit Hilfe eines geeigneten Optimierungsverfahrens werden Zwischenspeicher so platziert, dass der Einfluss von Verbraucherschwankungen auf das gesamte Netz gedämpft wird. Im Rahmen dieser Arbeit werden unterschiedliche Teilgebiete der Wirkungskette Druckluft betrachtet. Für jedes Teilgebiet werden Modellierungs- oder Optimierungsansätze entwickelt, die bestehende Simulationsumgebungen erweitern oder neuartige Analysewerkzeuge zur Verfügung stellen. Es wird aufgezeigt, dass die Erfassung der exakten dynamischen Vorgänge in Druckluftnetzen herausfordernd ist. Mit geeignet abstrahierten Modellen können jedoch wesentliche Zusammenhänge greifbar gemacht werden, die zu einem effizienteren Umgang mit dem Energieträger Druckluft beitragen.