Energy and Resource Efficiency in Industrial Manufacturing Using an Integrated Exergy, Energy and Economic Method
Energie- und Ressourceneffizienz in der industriellen Produktion durch Anwendung einer integrierten Exergie-, Energie- und Ökonomiemethode
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Beschreibung
Steigende Materialkosten sowie der Einsatz hochwertiger Materialien wie Hochleistungskeramik, Silber und Platin für elektrotechnische Anwendungen und die Lithium-Ionen-Batterie erfordern eine besondere Betrachtung der CO2-Emissionen, ihrer Bilanzierung und des Ressourcenverbrauchs. Deren Reduzierung ist ein wichtiges Kriterium für das ökonomische und ökologische Design in der Fertigung. Maßnahmen auf Prozess- und Prozesskomponenten-Ebene sind die ersten wichtigen Schritte zur Steigerung der Ressourceneffizienz. Zu diesem Zweck werden die Exergie und die Exergie-Ökonomie (Thermoökonomie) als geeignete Analysewerkzeuge für die Bewertung der Prozesskomponenten betrachtet. Aufgrund der komplexen thermodynamischen Vorgänge wurden diese bisher selten zur Optimierung der industriellen Fertigungsprozesse angewandt. Darüber hinaus besteht ein starker Bedarf an einem Energieeffizienzmodell, um das Exergiekonzept und die Thermoökonomie mit konventioneller Energieanalyse zu vereinen und mögliche Zielkonflikte zwischen verschiedenen Analysedimensionen zu eliminieren.
Hierfür wird in dieser Arbeit eine neue multidimensionale Analysemethode, die Exergie-Gewichtungsmethode (Exergy Weighting Method, EWM) entwickelt, um die Grenzen der bestehenden Analysewerkzeuge zu überwinden. Die entwickelte integrierte Methode vereinfacht einerseits die Anwendung des Exergiekonzepts in der Praxis und ist andererseits eine wirksame Methode auf der Prozesskomponentenebene zur Ermittlung und Priorisierung der vielversprechendsten Optimierungsmaßnahmen durch eine integrierte Betrachtung der Material- und Energieumwandlungseffizienz sowie der ökologischen und ökonomischen Kriterien.
Die EWM besteht aus drei Hauptanalysephasen. Zuerst werden die kritischen Parameter und die Verluste durch die umfassende Energie- und Exergiebilanzierung identifiziert. Dann werden mögliche Verbesserungsmaßnahmen durch die entwickelte Matrix des Energieverhältnisses (EV) und der theoretischen Effizienz (TE) ausgewertet. Anschließend wird der Exergie-Gewichtungsfaktor (Exergy Weighting Factor, EWF) als ein ganzheitlicher Bewertungsindex auf Basis der integrierten Exergie-, Energie- und Thermoökonomieanalysewerkzeuge für den Vergleich der Optimierungsmaßnahmen bestimmt. Für die flexible industrielle Anwendung wurde ein Softwaretool zur Bewertung des EWF-Indexes und seiner Kennzahlen entwickelt.
Die Vorteile der EWM gegenüber anderen Analysemethoden zur Beseitigung der Zielkonflikte zwischen den integrierten Analysewerkzeugen werden in verschiedenen industriellen Fertigungs- und Energieerzeugungssystemen validiert und diskutiert.
Autor*in
Kamran Taheri
Themen in »Energy and Resource Efficiency in Industrial Manufacturing Using an Integrated Exergy, Energy and Economic Method«
Energy and Resource Efficiency Exergy Weighting Factor (EWF) Exergy Weighting Method (EWM) Exergy and Energy balance Manufacturing Thermoeconomics