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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Bestimmung des Wirkungsgrades einer Energieerzeugungsanlage, wobei
die Energieerzeugungsanlage aus mindestens einem zugeführten Rohstoff
thermische und/oder elektrische Energie erzeugt.
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In
der heutigen Zeit wird der Energiebedarf immer größer. Gleichzeitig
werden die Energieressourcen knapper und das Bewusstsein, schonend mit
den Ressourcen umzugehen, ist deutlich gewachsen. Daher besteht
zum einen der Wunsch, auch alternative Methoden zu den klassischen
wie Ausnutzung von fossilen Brennstoffen oder von Atomenergie umzusetzen,
und zum anderen auch das Bestreben, bei der Umwandlung von Rohstoffen in
Energie möglichst
effektiv zu sein, d.h. die Ausbeute zu optimieren. Somit werden
zum einen die Ressourcen geschont und zum anderen der lukrative
Anreiz zum Betreiben von Energieerzeugungsanlagen erhöht. Unter
Energieerzeugungsanlage sei hier jegliche Form der Umsetzung von
Rohstoffen – z.B.
fossile Brennstoffe oder Biomasse – in thermische und/oder elektrische
Energie verstanden.
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Ein
Problem ist, dass solche Anlagen nicht immer mit Sensoren oder Messstellen
verbunden ist. Dies liegt u.a. darin begründet, dass die Kosten für eine solche
Anlage meist gering sein sollen. Daher ist es umgekehrt mit Kosten
verbunden, insbesondere wenn an eine Nachrüstung gedacht wird, um die
notwendigen Größen zur
Bestimmung des Wirkungsgrades und somit der Überwachung der Effizienz zu
erhalten.
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Daher
besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine möglichst einfache Bestimmung
des Wirkungsgrades vorzuschlagen. Die Aufgabe löst die Erfindung mit einem
Verfahren und mit einer Vorrichtung.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung eines Wirkungsgrades
einer Energieerzeugungsanlage, wobei die Energieerzeugungsanlage
aus mindestens einem zugeführten Rohstoff
thermische und/oder elektrische Energie erzeugt, wobei die Menge
des zugeführten
Rohstoffs gemessen wird, wobei die Menge der erzeugten thermischen
und/oder elektrischen Energie gemessen wird, und wobei aus den gemessenen
Mengen der Wirkungsgrad berechnet wird. Aus der gemessenen Menge
des zugeführten
Rohstoffs oder der zugeführten
Rohstoffe wird beispielsweise über
einen bekannten Brennwert ermittelt, welche Energieausbeute prinzipiell
möglich
ist, d.h. ein Soll-Wert wird ermittelt. Aus den gemessenen Mengen
der von der Energieerzeugungsanlage erzeugten Energie ergibt sich
der tatsächliche
Ist-Wert. Der Vergleich
des Soll- mit dem Ist-Wert kann dann wiederum zur Optimierung der Anlage
verwendet werden.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass so eine Überprüfung des
Systems in Hinsicht auf seine Leistung während des laufenden Betriebes
möglich
ist. Insbesondere findet die Messung online statt, d.h. nach Messung
der relevanten Größen ergibt
sich sogleich das Ergebnis. Weiterhin ist es durch die verwendeten
Komponenten möglich, portabel
und netzunabhängig
die Messung durchzuführen,
d.h. das Verfahren kann auch als Service-Leistung angeboten werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die anschließend
zu beschreibende erfindungsgemäße Vorrichtung
lösen u.a.
auch folgende Messaufgaben:
- – Wirkungsgradmessung
von Wärmetauschern. Dies
ist wichtig, da verschmutzte oder falsch dimensionierte Wärmetauscher
Energieverluste verursachen. Bei der Auslegung und dem Betrieb von
Wärmetauschern
können
die Auslegung und der Betriebszustand durch das erfindungsgemäße Verfahren
bzw. durch die noch zu beschreibende erfindungsgemäße Vorrichtung
mobil und während
des Betriebes sofort überprüft werden.
Die thermischen Leistungen werden auf der Primär- und der Sekundärseite des Wärmetauschers
gemessen. Dies geschieht mit zwei Ultraschallmessungen an der primären und
sekundären
Seite und den dazugehörigen
Temperaturfühlern.
Die möglichen
Fehler der Durchflussmessungen liegen bei 2%, die der Temperaturfühler bei
ca. 0,35°C.
Der Fehler einer solchen Messung liegt bei ca. 2,9% jeweils an der
Primär-
und Sekundärseite.
Die thermische Leistung wird mit der Formel, in der der Durchfluss
sowie die Vor- und Rücklauftemperatur
eingehen, berechnet. Der Quotient aus der thermischen Leistung der
primären
und sekundären
Seite ergibt dann den Wirkungsgrad.
- – Aufnahme
der Pumpenkennlinie von Pumpen. Dies ist wichtig, da falsch dimensionierte
oder verschlissene Pumpen unnötig
hohe Energiekosten verursachen. Bei der Auslegung von Pumpen und von
Frequenzumrichtern kann durch die Erfindung die Auslegung mobil
und während
des laufenden Betriebes sofort überprüft werden.
Auch wird ein möglicher
Verschleiß sofort
erkannt. Der Durchfluss wird mit einer Ultraschalldurchflussmessung
und die elektrische Leistung mit Stromzangen und einem Messwandler
gemessen. Die möglichen
Fehler liegen bei der Durchflussmessung bei ca. 2% und bei der elektrischen
Leistungsmessung auch bei ca. 2%. Insgesamt kann so also von einem
maximalen Fehler von 4% ausgegangen werden. Die aufgenommenen Werte des
Durchflusses und der elektrischen Leistung werden in ein X/Y-Diagramm eingetragen
oder mit einem Datenlogger registriert und dann in eine Tabellenkalkulation übertragen.
Als Konstante kann gegebenenfalls die Druckerhöhung mit aufgezeichnet werden.
- – Wirkungsgradmessung
von elektrischen Kälte-/Wärmeerzeugern.
Auch hier ist eine Kontrolle von Funktion und Energieausnutzung
nötig.
Bei der Auslegung und dem Betrieb von elektrischen Kälte- und
Wärmemaschinen
können
die Auslegung und der Betriebszustand durch die Erfindung ebenfalls
sofort und mobil, d.h. durch die reversible Anbringung der erforderlichen
Messgeräte überprüft werden.
Die thermische Leistung wird wie bei der Überprüfung von Wärmetauschern beschrieben gemessen.
Hier ist mit einem Fehler von 2,9% zu rechnen. Die elektrische Leistung wird
mit Stromzangen und einem Messwandler gemessen. Der mögliche Fehler
ist hier bei ca. 2%. Der gesamte Fehler liegt also bei ca. 5%. Der Wirkungsgrad
ergibt sich aus dem Quotienten aus der thermischen und der elektrischen
Leistung.
- – Wirkungsgradmessung
von Kraft-Wärmekopplungsanlagen
mit herkömmlichen
Verbrennungsmotoren (Gas, Öl
usw.). Insbesondere bei dem Boom der Biogasanlagen wird hier die
Effizienz der Anlage zukünftig
immer wichtiger werden. Bei der Inbetriebnahme und Überprüfung solcher
Anlagen ist es sehr wichtig, die Ausnutzung der Primärenergie
zu überwachen.
Die erzeugte elektrische Energie wird mit Stromzangen und einem Messwandler
gemessen. Der Messfehler beträgt ca.
2%. Die thermische Energie wird wie bei dem Wärmetauscher und dem elektrischen
Kälte-/Wärmeerzeuger
beschrieben gemessen. Der Fehler beträgt hier ca. 2,9%: Der Verbrauch
des Primärenergieträgers kann
mit verschiedenen Verfahren gemessen werden. Mit Coriolis-Druchfluss-Messgeräten liegt
der Fehler bei kleiner 0,5%. Die Summe der thermischen und der elektrischen
Energie geteilt durch den Energiegehalt des Primärenergieträgers ergibt den Wirkungsgrad
der gesamten Anlage. Hier können
während des
Betriebes Einstellungen vorgenommen werden, um Verbesserungen herbeizuführen.
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Somit
ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
und auch mit der im Anschluss zu besprechenden erfindungsgemäßen Vorrichtung
nicht nur die Messung des Wirkungsgrades an sich möglich, sondern
ausgehend von diesem können
auch einzelne Komponenten der Anlage überwacht und optimiert werden.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass für
die Messung des zugeführten
Rohstoffs an mindestens eine Zuführungsleitung
reversibel ein Rohstoff-Messgerät
angebracht wird. Für
die Bestimmung des Durchflusses eignen sich beispielsweise berührungslos
arbeitende Ultraschallmessgeräte,
welche sich auf die Zuführungsleitung
festklemmen lassen.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass für
die Messung der erzeugten thermischen Energie an mindestens eine Wärmezuführungsleitung
und/oder Wärmeabführungsleitung
reversibel ein Wärme-Messgerät angebracht
wird. Findet die Wärmeübertragung
beispielsweise über
einen Wärmeaustauscher
statt, so wird in einer Ausgestaltung entweder die Temperatur des zugeführten oder
des abgeführten
Wassers gemessen. Ist die jeweils andere Temperatur bekannt, so lässt sich
daraus die erzeugte Wärmemenge
berechnen. In einer weiteren Ausgestaltung werden beide Temperaturen
direkt gemessen. Im einfachsten Fall handelt es sich bei dem Wärme-Messgerät um einen Temperatursensor.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass für
die Messung der erzeugten elektrischen Energie an mindestens eine Stromleitung
reversibel ein Strom-Messgerät
angebracht wird. Hierfür
werden beispielsweise Stromzangen an die Leitung befestigt.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Wirkungsgrades einer
Energieerzeugungsanlage, wobei die Energieerzeugungsanlage aus mindestens
einem zugeführten
Rohstoff thermische und/oder elektrische Energie erzeugt, mit mindestens
einem Rohstoff-Messgerät zur
Messung der Menge des zugeführten
Rohstoffs, mit mindestens einem Wärme-Messgerät zur Messung der Menge der
erzeugten thermischen Energie und/oder mindestens einem Strom-Messgerät zur Messung
der erzeugten elektrischen Energie, und mit einer Berechnungseinheit,
welche derartig ausgestaltet ist, dass sie aus den gemessenen Mengen den
Wirkungsgrad berechnet. Die Vorrichtung besteht somit aus den Messgeräten, um
die Menge des zugeführten
Rohstoffs und der daraus gewonnenen Energie zu messen. Der Rohstoff
ist beispielsweise Gas, Öl
oder Biomasse. Eine Berechnungseinheit, bei welcher es sich beispielsweise
um einen Datenschreiber handelt, die jedoch auch in einem PC realisiert
sein kann, bestimmt dann aus den einzelnen gemessenen Werten den
Wirkungsgrad der Anlage. Hierfür
sind ggf. auch Daten über
die Verrechnung der einzelnen Größen erforderlich.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass das Rohstoff-Messgerät reversibel an mindestens
eine Zuführungsleitung
anbringbar ist. Handelt es sich insbesondere um einen zumindest
teilweise flüssigen
oder gasförmigen
Rohstoff, so wird beispielsweise der Durchfluss der zugeordneten
Zuführungsleitung
gemessen. Hierfür
eignen sich beispielsweise Ultraschalldurchflussmessgeräte, welche
sich insbesondere sehr leicht und vor allem reversibel an Rohrleitungen
befestigen lassen.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass das Wärme-Messgerät reversibel
an mindestens eine Wärmezuführungsleitung
und/oder Wärmeabführungsleitung
anbringbar ist. Über
entsprechende Temperaturmessgeräte,
beispielsweise über
einen PT100 lässt
sich die Temperatur eines Mediums bestimmen, welches durch die Energieerzeugungsanlage
erwärmt
wird. Aus der Temperaturdifferenz zwischen dem zu- und abgeführten Medium
ergibt sich dann die von der Anlage erzeugte Wärmemenge.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beinhaltet, dass das Strom-Messgerät reversibel an mindestens
eine Stromleitung anbringbar ist. Beispielsweise über Stromzangen
lässt sich der
erzeugte Strom messen.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigt:
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1:
ein Blockdiagramm einer Energieerzeugungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Bestimmung
des Wirkungsgrades,
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2:
ein Blockdiagramm zur Verdeutlichung der Aufnahme einer Pumpenkennlinie,
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3:
ein Blockdiagramm zur Messung des Wirkungsgrades eines elektrischen
Kälte-/Wärmeerzeugers,
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4:
ein Blockdiagramm zur Messung des Wirkungsgrades eines Wärmetauschers,
und
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5:
ein Blockdiagramm zur Messung des Wirkungsgrades einer Anlage zur
Kraft/Wärmekopplung.
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In
der 1 ist schematisch eine Energieerzeugungsanlage 1 dargestellt.
Der eigentliche Motor 2 ist mit einer Zuführungsleitung 5 verbunden
und wird über
diese mit einem Rohstoff, z.B. Gas, Öl oder Biomasse versorgt. Bei
der Verarbeitung des Rohstoffes wird elektrische Energie, welche über die Stromleitung 8 abgegeben
wird, und es wird Wärme erzeugt.
Die Wärme
wird in diesem Beispiel auf Wasser übertragen, welches über eine
Wärmezuführungsleitung 6,
also eine Wasserzuführungsleitung, dem
Motor 2 zu- und durch eine Wärmeabführungsleitung 7 wieder
abgeführt
wird.
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Soll
der Wirkungsgrad einer solchen Energieerzeugungsanlage 1 bestimmt
werden, so werden erfindungsgemäß entsprechende
Messgeräte 15, 16, 18 von
außen
auf die entsprechenden Leitungen 5, 6, 7, 8 aufgesetzt.
Die zugeführte
Menge an Rohstoffen wird beispielsweise durch ein Ultraschall-Messgerät 15 gemessen,
wobei der Sensor 15 von außen auf die Rohrleitung 5 aufgesetzt
wird. Der Strom als erzeugte elektrische Energie wird an der Stromleitung 8 beispielsweise
durch zwei Stromzangen 18 abgegriffen und gemessen. Für die Messung
der erzeugten Wärme
eignet sich ein Messgerät 16 mit
zwei Temperatursensoren, aus welchen die Temperatur des zugeführten und
des abgeführten
Wassers und daraus die erzeugte Wärmemenge bestimmt wird. Diese
Messgeräte 15, 16, 18 lassen
sich vorzugsweise alle reversibel an die Leitungen anbringen, so dass
sich eine mobile Messung bzw. eine mobile Messvorrichtung ergibt.
Der große
Vorteil ist, dass somit auch der Wirkungsgrad von bestehenden Anlagen 1 gemessen
werden kann, ohne dass Einbauten oder permanente Änderungen
vorgenommen werden müssen.
Die Messwerte der Messgeräte 15, 16, 18 werden
der Berechnungseinheit 19 zugeführt, welche daraus ggf. in
Verbindung mit hinterlegten Referenzdaten z.B. in Bezug auf den
Brennwert des Rohstoffs den Wirkungsgrad der Anlage 1 bestimmt.
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In
der 2 wird die Aufnahme einer Pumpenkennlinie verdeutlicht.
Dafür wird
der Durchfluss eines Mediums durch das Durchflussmessgerät 21 gemessen.
Das Durchflussmessgerät 21 kann
somit auch das Rohstoff Messgerät 15 der 1 sein,
insofern mit der Pumpe 20 der Rohstoff der 1 gepumpt
wird. Die für
das Betreiben der Pumpe 20 erforderliche Energie in Form
von Strom kann beispielsweise durch – für die Übersichtlichkeit hier nicht dargestellte – Stromzangen
gemessen und z.B. von der Berechnungseinheit 19 graphisch
dargestellt werden. In dieser Ausgestaltung wird – optional – über zwei
Druckmessgeräte 22 auch
der Druck in der Leitung vor und hinter der Pumpe 20 registriert
(Druckerhöhung).
Weiterhin wird auch die Frequenz der Pumpe 20 gemessen
(Frequenzumrichter). Mit diesen Daten, d.h. mit dem Durchfluss,
der Druckerhöhung,
dem Energiebedarf und der Frequenz, mit der die Pumpe 20 betrieben
wird, lassen sich die Pumpe und die Einstellung des Frequenzumrichters
genau beurteilen. Diese Messung kann dabei ein Teil der Messung
des gesamten Wirkungsgrades der Energieerzeugungsanlage 1 sein.
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In
der 3 ist eine Energieerzeugungsanlage 1 dargestellt,
deren erzeugte elektrische Energie über das Messgerät 18 gemessen
und der Berechnungseinheit 19 zugeleitet wird. Die Rohstoffzuführung ist
hier nicht dargestellt. Der Anlage zugeordnet ist ein Kälte-/Wärmeerzeuger 23.
Der Durchflusswert an der Leitung 6 und 7 der
thermischen Energie wird mit Ultraschall mit dem Messgerät 21 gemessen. Die
Temperaturwerte von der thermischen Energieerzeugung werden ein-
und auslaufseitig mit entsprechenden Wärmemessgeräten 16, z.B. jeweils
einem PT 100 gemessen. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Anlegefühler. Die
Berechnungseinheit 19 bestimmt dann die Energiebilanz.
Umgekehrt erlaubt es dieser Aufbau auch, den Wirkungsgrad des Kälte-/Wärmeerzeuger 23 zu
bestimmen, indem dessen Leistungsaufnahme gemessen und in Relation
zur erzeugten thermischen Energie gesetzt wird. Somit lassen sich
insbesondere schlecht abgestimmte Systeme erkennen. Bei dem Verbraucher 24 handelt
es sich beispielsweise um einen Heizkörper oder um einen Kälteverbraucher.
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In
der 4 werden über
den Durchflussmesser 21 die Durchflusswerte der Wärmezuführungs- 6 und
Wärmeabführungsleitung 7 gemessen. Hierfür weist
das Messgerät 21 einen
ersten und einen zweiten Kanal auf. Insbesondere handelt es sich um
eine Zuführungs- 6 bzw.
Abführungsleitung
für ein flüssiges Medium,
z.B. Wasser, auf welches Wärme übertragen
wird. Die Temperaturwerte werden auf beiden Seiten des Wärmetauschers 25 mit
passendes Messgeräten 16 gemessen.
Aus dem Durchfluss und den Temperaturen ergeben sich die Energieströme, aus
denen sich der Wirkungsgrad des Wärmetauschers 25, der
beispielsweise ein Bestandteil der Energieerzeugungsanlage 1 ist,
berechnen lässt. Schlecht
ausgelegte oder verschmutze Wärmetauscher 25 lassen
sich so beispielsweise erkennen.
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In
der 5 wird über
das Durchflussmessgerät 21 – bzw. genauer über einen
Kanal von zwei Kanälen
eines Durchflussmessgerätes 15, 21 – der Durchflusswert
an der Leitung der thermischen Energie mit Ultraschall gemessen.
Die Temperaturwerte von der thermischen Energieerzeugung werden
ein- und auslaufseitig mit PT 100 als Wärme-Messgeräte 16 gemessen (eventuell über Anlegefühler). Die
erzeugte elektrische Energie wird mittels Stromzangen und des Messwandlers 18 gemessen.
Der Rohstoffverbrauch kann bei flüssigen Brennstoffen auch mit Ultraschall
gemessen werden, wie hier dargestellt. Gasförmige Kraftstoffe können mit
Blenden oder mit Coriolis-Messgeräten oder mit thermischen Massemessern
gemessen werden. Die Berechnungseinheit 19 berechnet den
Energiegehalt der thermischen Energie und den Brennwert des Rohstoffverbrauchs. Der Wirkungsgrad
ergibt sich dann aus der Summe von thermischer und elektrischer
Energie, geteilt durch den Rohstoffverbrauch. Schlecht eingestellte Motoren
oder abgestimmte Systeme lassen sich so erkennen.
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Bei
allen oben gezeigten Ausgestaltungen werden die Messgeräte reversibel
und meist auch nur temporär
an die Leitungen angebracht. Somit wird eine mobile Messung als
Teil einer Service-Leistung möglich.
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- 1
- Energieerzeugungsanlage
- 2
- Motor
- 5
- Zuführungsleitung
- 6
- Wärmezuführungsleitung
- 7
- Wärmeabführungsleitung
- 8
- Stromleitung
- 15
- Rohstoff-Messgerät
- 16
- Wärme-Messgerät
- 18
- Strom-Messgerät
- 19
- Berechnungseinheit
- 20
- Pumpe
- 21
- Durchflussmessgerät
- 22
- Druckmessgerät
- 23
- Kälte-/Wärmeerzeuger
- 24
- Verbraucher
- 25
- Wärmetauscher