Energieumwandlung
Die meisten technischen Anlagen transformieren Energie von einer in eine andere Form. Zu den Energiewandlern zählen zum Beispiel die Komponenten
Unabhängig davon, ob beispielsweise Brennstoff zu Wärme, Strom zu Wärme oder Wärme zu Kälte gewandelt wird, gelten für alle modellierten Einheiten die im Folgenden erläuterten Prinzipien.
Auslegungsgrößen des Nennzustands
Zur Auslegung (zum Design) einer technischen Anlage muss die Nenngröße vorgegeben werden.
Bei der Umwandlung einer Energieform in eine andere (z. B. in den Komponenten Heißwasserkessel, Dampfturbine und Power-to-Heat) ist der Nennzustand durch die drei Größen
gegeben. Die entsprechende Gleichung ist:
\( \begin{equation} \begin{aligned} P_{zu\ nenn} \cdot \eta_{nenn}= P_{ab\ nenn} \end{aligned}\end{equation}\).
Zwei von drei Größen aus dieser Gleichung müssen vorgegeben werden, und die dritte Größe wird berechnet. Daher gibt es in den Komponenten die Auswahlmöglichkeit, welche Größen vorgegeben werden (siehe folgenden Slider).
Die nicht vorgegebenen, sondern berechneten Größen der Auslegung werden in den Ausgabedaten gezeigt. Werden z. B. die Nutz- und die zugeführte Nennleistung vorgegeben, sieht man in den Ausgabedaten unter Auslegungsgrößen den Nennwirkungsgrad (siehe folgende Abbildung).
Wandelt eine Komponente mehrere Energieformen um, so müssen mehrere Wirkungsgradgleichungen angegeben werden, z. B. für ein BHKW:
\( \begin{equation} \begin{aligned} P_{zu\ nenn} \cdot \eta_{1,nenn}= P_{ab1\ nenn} \end{aligned}\end{equation}\) und
\( \begin{equation} \begin{aligned} P_{zu\ nenn} \cdot \eta_{2,nenn}= P_{ab2\ nenn} \end{aligned}\end{equation}\).
Hier entspricht \( \begin{equation} \begin{aligned} P_{ab1} \end{aligned}\end{equation}\) dem elektrischen Strom mit dem zugehörigen Stromwirkungsgrad und \( \begin{equation} \begin{aligned} P_{ab2} \end{aligned}\end{equation}\) der Wärme mit dem zugehörigen Wärmeumwandlungswirkungsgrad.
Die Konventionen für Wärmepumpen und Kältemaschinen weichen von den eben beschriebenen etwas ab. Der Wirkungsgrad kann zwar physikalisch wie oben definiert werden, aber meist wird eine andere Kennzahl verwendet.
Bei Wärmepumpen wird statt des Wirkungsgrades die Heizzahl COP (Coefficienct of Performance) betrachtet. Die Heizzahl COP berücksichtigt nicht die Umwandlung der gesamten zugeführten Energie in Kälteenergie, sondern nur die Umwandlung der zugeführten elektrischen Energie, weil davon ausgegangen wird, dass die zugeführte thermische Energie „kostenlos“ ist. Zum Vergleich sehen Sie hier den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe:
\( \begin{equation} \begin{aligned} \dot{Q}_{heat} = \eta \cdot (P_{el}+\dot Q_{reheat}) \end{aligned}\end{equation}\) und hier den COP:
\( \begin{equation} \begin{aligned} \dot{Q}_{heat} = COP \cdot P_{el} \end{aligned}\end{equation}\).
Der COP kann im Unterschied zu einem physikalischen Wirkungsgrad auch Werte größer 1 annehmen.
Bei Kältemaschinen verhält es sich analog: Kältemaschinen mit mechanischer Antriebsenergie (Kühltürme, Kompressionskältemaschinen) arbeiten mit einer Kälteleistungszahl (EER, Energy Efficiency Ratio), bei der als Aufwand nur die elektrische Energie betrachtet wird und zum Beispiel nicht die Rückkühlleistung, welche meistens von der Umgebung erbracht wird:
\( \begin{equation} \begin{aligned} \dot{Q}_{cool} = EER \cdot P_{el} \end{aligned}\end{equation}\).
Die Kälteleistungszahl EER kann ebenfalls Werte größer 1 annehmen.
Für den Fall thermischer Antriebsenergie (in Adsorptionswärmepumpen) hat sich der Begriff des Wärmeverhältnisses \( \zeta\) etabliert. Die Rückkühlleistung geht nicht in das Wärmeverhältnis ein.
\( \begin{equation} \begin{aligned} \dot{Q}_{cool} = \zeta \cdot \dot{Q}_{heat} \end{aligned}\end{equation}\).
Die folgende Beschreibung des Teillastverhaltens anhand des Wirkungsgrades \( \eta \) lässt sich auf die hier beschriebenen Konventionen für Kältemaschinen und Wärmepumpen übertragen.
Auslegungsgrößen des Teillastverhaltens
Zur Vorgabe des Teillastverhaltens gibt es drei Möglichkeiten. Voreingestellt ist die Vorgabe eines konstanten Wirkungsgrades in Teillast. Alternativ kann das Teillastverhalten durch absolute oder relative Werte vorgegeben werden, die eine Kennlinie generieren (siehe folgende Abbildung).
Konstanter Wirkungsgrad in Teillast
Bei der Auswahl Konstanter Wirkungsgrad in Teillast wird ein Wirkungsgrad vorgegeben, der unter Teillast unverändert ist (siehe Abbildung oben). Dann gilt an jedem Betriebspunkt, nicht nur dem Nennbetriebspunkt:
zugeführte Leistung \( \begin{equation} \begin{aligned}\cdot \end{aligned}\end{equation}\) Nennwirkungsgrad = Nutzleistung:
\( \begin{equation} \begin{aligned} P_{zu} \cdot \eta_{nenn}= P_{ab} \end{aligned}\end{equation}\).
Zusätzlich zum Wirkungsgrad wird entweder die Maximale Leistungsaufnahme vorgegeben und daraus die Maximale Lieferleistung im Nennzustand bestimmt oder die Maximale Lieferleistung vorgegeben und daraus die Maximale Leistungsaufnahme berechnet.
Wählt man Kennlinie, kann man das Teillastverhalten durch Werte in der Tabelle stückweise linear vorgeben: absolut oder relativ.
Kennlinie eingeben (absolute Werte)
Bei der Auswahl Kennlinie eingeben (absolute Werte) wird der Zusammenhang zwischen der Nutzleistung\( \begin{equation} \begin{aligned} P_{ab} \end{aligned}\end{equation}\)(z. B. in der Komponente Power-to-Gas: der Brennstoffleistung) und der zugeführten Leistung \( \begin{equation} \begin{aligned} P_{zu} \end{aligned}\end{equation}\) (z. B. in der Komponente Power-to-Gas: der elektrischen Leistungsaufnahme) über eine Kennlinie \( \begin{equation} \begin{aligned} f_{abs}\end{aligned}\end{equation}\)mit folgender Formel hergestellt:
\( \begin{equation} \begin{aligned} P_{ab} = f_{abs} (P_{zu}) \end{aligned}\end{equation}\).
Weil mit dieser Kennlinie (Abbildung oben) absolute Leistungen vorgegeben werden, ist eine zusätzliche Vorgabe der Wirkungsgrade nicht erforderlich.
Kennlinie eingeben (relativ zur Nennleistung)
Bei der Auswahl Kennlinie eingeben (relativ zur Nennleistung) wird der Zusammenhang zwischen der Nutzleistung\( \begin{equation} \begin{aligned} P_{ab} \end{aligned}\end{equation}\)(z. B. der Brennstoffleistung) und der zugeführten Leistung\( \begin{equation} \begin{aligned} P_{zu} \end{aligned}\end{equation}\)(z. B. der elektrischen Leistung) über eine Kennlinie\( \begin{equation} \begin{aligned} f_{rel} \end{aligned}\end{equation}\)hergestellt. Diese Kennlinie repräsentiert den Zusammenhang zwischen den relativen Teillasten der verschiedenen Energieformen. Sie wird durch die folgende Formel berechnet:
\( \begin{equation} \begin{aligned} \frac{P_{ab}}{P_{ab\ nenn}} = f_{rel} \left ( \frac{P_{zu}}{P_{zu\ nenn}} \right)\end{aligned}\end{equation}\).
Zusätzlich zu den Werten in der Tabelle sind die Maximale Lieferleistung oder die Maximale Leistungsaufnahme\( \begin{equation} \begin{aligned} P_{nenn} \end{aligned}\end{equation}\)sowie der Nennwirkungsgrad\( \begin{equation} \begin{aligned} \eta_{nenn}\end{aligned}\end{equation}\) vorzugeben (siehe folgende Abbildung).
Minimale Teillast
Eine Minimale Teillast kann in dem Eingabefeld bestimmt werden (siehe folgende Abbildung).
Bei der Vorgabe des Teillastverhaltens mit einer absoluten oder relativen Kennlinie muss diese bis zum Punkt (0;0) vervollständigt werden.
Zusätzlich gibt es die Option Modulieren unterhalb minimaler Teillast, mit der die Komponente innerhalb eines Simulationszeitschritts mehrfach an- und ausgeschaltet werden kann (taktender Betrieb), um im Mittel Teillasten zu erreichen, die unterhalb der minimalen Teillast liegen. Dabei reduziert sich die Betriebszeit im Vergleich zum normalen Teillastbetrieb.
Eine Komponente mit 100 kW thermischer Nennleistung und einer minimalen Teillast von 50 % kann in einer Stunde im Mittel 25 kW erzeugen, indem die Komponente 15 Minuten lang 100 kW erzeugt und 45 Minuten ausgeschaltet ist. Die Komponente hat demnach innerhalb einer Stunde nur 15 Betriebsminuten.
Wenn kein modulierender Betrieb erlaubt ist, kann die Komponente nicht unterhalb der minimalen Teillast betrieben werden.
Eigenbedarf
Einige Komponenten (Heißwasserkessel, Dampferzeuger) haben unter den Eingabedaten ein zusätzliches Formular Eigenbedarf. Darin können Sie den Bedarf an der Energie, die durch die Komponente selbst zum Beispiel für die Steuerung benötigt und nicht unmittelbar in die zu erzeugende Nutzenergie umgewandelt wird, angeben. Dadurch können zusätzliche Pins, zum Beispiel Strompins, an der Komponente erscheinen.
Ausgabedaten: Betriebsverhalten
Die Ausgabedaten enthalten Informationen über das Betriebsverhalten. In der Regel werden die tatsächlichen Leistungen und der aktuelle Wirkungsgrad angezeigt.
Außer den Betriebsstunden werden die Volllaststunden ausgewiesen. Die Volllaststunden berücksichtigen die jährlich erzeugte Energiemenge in Bezug auf die Nennleistung. Sie werden standardmäßig in Stunden pro Jahr angegeben, die Einheit kann durch Auswahl aus der Drop-down-Liste z. B. in Prozent geändert werden.
In einigen Komponenten wird die Anzahl der Starts der Komponente im gesamten Simulationszeitraum angegeben.
Zusätzlich werden aktuelle Umwandlungsgrade und Gesamtumwandlungsgrade ausgegeben. Die aktuellen Umwandlungsgrade — z. B. der Wirkungsgrad eines BHKW oder eines Kessels, die Leistungszahl (COP) einer Wärmepumpe und die Kälteleistungszahl (EER) einer Kältemaschine — werden für jeden Zeitschritt berechnet. Ein Gesamtumwandlungsgrad — z. B. der Jahresnutzungsgrad eines BHKW (siehe folgende Abbildung) oder eines Kessels oder die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Kältemaschine oder einer Wärmepumpe — bezieht sich auf ein ganzes Jahr.
