Hochtemperaturprozesse sind immer mit extremen thermischen Verlusten verbunden, so dass sich ein mächtiger Hebel zu Energie-, CO2- und Kosteneinsparung ergibt. Um die Wirksamkeit der Effizienzsteigerung dieser Prozesse durch MMSO zu demonstrieren, wird im Verbundprojekt der Kammerofenprozess des Anwendungspartners ICL betrachtet, der unter hohem Energiebedarf zur Herstellung von Polyphosphaten eingesetzt wird. Für die Modellierung ist ein komplexes Multiphysik-Modell notwendig, auf dessen Basis sowohl die Ofengeometrie neu ausgelegt als auch die Positionierung des Gasbrenners optimiert wird. Die entwickelten Methoden lassen sich später auf eine Vielzahl ähnlicher Hochtemperaturprozesse, insbesondere aus dem Bereich der chemischen Industrie und der Glasproduktion, übertragen. Das Teilprojekt TP2 bildet die Schnittstelle zur industriellen Anwendung und setzt die entwickelten Methoden in Form eines Demonstrators für den Kammerofenprozess um.
Die Glasindustrie kann einen wichtigen Beitrag zur Ausrichtung von Industrieprozessen auf eine flukturierende Energieversorgung leisten, weil in ihren Schmelzanlagen Primärenergieträger (Erdgas) und Strom parallel eingesetzt werden und es besteht eine gut ausgebaute Infrastruktur für die Versorgung, Messung und Regelung beider Energieträger. Zur Erzeugung einer spezifikationsgerechten Glasqualität ist neben der Energiemenge auch die Verteilung zwischen den beiden Energieträgern von ausschlaggebender Bedeutung. Da elektrischer Strom unmittelbar in die Schmelze eingebracht wird, während die Gasbrenner nur über Wärmestrahlung auf die Glasschmelze einwirken, können sich bei Änderung der Energieverteilung sehr unterschiedliche Glasqualitäten (Anzahl der Blasen, Relikte, Knoten u.a.) ergeben. Daher wird eine Glasschmelzanlage in der Regel mit konstanten Anlagenparametern betrieben und es bestehen nur sehr wenige Erfahrungen für den Betrieb von Schmelzanlagen unter flexibler Energieverteilung. Im Vorhaben wird nach Möglichkeiten gesucht, den Flexibilisierungsgrad zwischen den beiden Energieträgern auf mindestens 10% der eingesetzten Gesamtenergie zu steigern. Nach theoretischer Voruntersuchung wird ein kontinuierlicher Versuch im Technikumsmaßstab (2-4 t/d) durchgeführt, um die Ergebnisse der Voruntersuchung experimentell zu verifizieren. Im 1. Projektjahr sind theoretische Arbeiten in Form von mathematischen Simulationen geplant. Aus den Ergebnissen können Aussagen zum möglichen Flexibilisierungsgrad sowie eine erste Kosten/Nutzen-Abschätzung abgeleitet werden. Im 2. Projektjahr wird ein Versuch konzipiert und das Lasten- und Pflichtenheft für einen 6-wöchigen Technikumsversuch erstellt. Im 3. Projektjahr wird dieser Technikumsversuch aufgebaut und durchgeführt. Zum Projektende können Aussagen zum Einfluss einer flexibilisierten Energieverteilung auf Glasqualität, Produktionsausbeute und Betriebskosten getroffen werden.
Hochtemperaturprozesse sind immer mit extremen thermischen Verlusten verbunden, so dass sich ein mächtiger Hebel zu Energie-, CO2- und Kosteneinsparung ergibt. Um die Wirksamkeit der Effizienzsteigerung dieser Prozesse durch MMSO zu demonstrieren, wird im Verbundprojekt der Kammerofenprozess des Anwendungspartners ICL betrachtet, der unter hohem Energiebedarf zur Herstellung von Polyphosphaten eingesetzt wird. Für die Modellierung ist ein komplexes Multiphysik-Modell notwendig, auf dessen Basis sowohl die Ofengeometrie neu ausgelegt als auch die Positionierung des Gasbrenners optimiert wird. Die entwickelten Methoden lassen sich später auf eine Vielzahl ähnlicher Hochtemperaturprozesse, insbesondere aus dem Bereich der chemischen Industrie und der Glasproduktion, übertragen. Ziel von TP1 ist eine umfassende Modellierung des Kammerofenprozesses sowie die Bereitstellung von adäquaten numerischen Verfahren zur Optimierung des Gasbrenners und zur Formoptimierung des Kammerofens.
Die sichere, bezahlbare und nachhaltige Energieversorgung der Zukunft wird wesentlich durch die effiziente Wandlung primärer, überwiegend regenerativer Energieträger zu sekundären Energieträgern wie Strom, Wärme und Kraftstoffe sowie deren effiziente Nutzung bestimmt. Forschung und Entwicklung stehen daher vor der Aufgabe, relevante Optionen und variable Prozesskombinationen zu entwickeln, um bei sich ändernden Bedingungen der Märkte innovative und flexibel umsetzbare Lösungen bereitzuhalten. Im Rahmen des Energy Lab 2.0 wird am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ein energietechnischer Anlagenverbund realisiert, der wesentliche Komponenten zur Erzeugung, Wandlung und Speicherung verschiedener Energieträger enthält und dabei elektrische, thermische und chemische Energieströme miteinander verknüpft. Eine wichtige Fragestellung dabei ist der Einsatz von Gasturbinen zur Erzeugung von Strom und Wärme aus unterschiedlichen Mischungen von Synthesegas und Erdgas . Im Rahmen des hier beantragten Vorhabens soll deshalb ein Brennersystem entwickelt werden, das einen brennstoff- und lastflexiblen Betrieb der Gasturbine ermöglicht. Zur Analyse der Wechselwirkungen zwischen den Verbrauchern, den Erzeugern, dem Vergasungsprozess und der Gasturbine wird ein mobiler Mikrogasturbinenprüfstand (MobGT) durch das DLR aufgebaut und im Anlagenverbund des KIT in Betrieb genommen. Die Entwicklung des MobGT lässt sich in die drei Schritte Konzept, Entwicklung und Inbetriebnahme unterteilen. Im ersten Schritt wird das Design des Brennersystems entworfen und der MobGT Prüfstand sowie das Regelungskonzept entwickelt. In der Entwicklungsphase wird das Brennersystem getestet, optimiert und in den MobGT eingebaut. Der Schritt Inbetriebnahme ist zweigeteilt und umfasst zuerst eine Inbetriebnahme des mobilen Labors am DLR in Stuttgart. Nach erfolgreichem Betrieb folgt der Transport und die Inbetriebnahme in Karlsruhe, wo eine reale Kopplung an den bioliq® Vergaser durchgeführt werden kann.
Das Vorhabenziel ist die Einsparung von hochwertigen Primärenergieträgern bei der Beheizung von Hochtemperatur-Prozessanlagen. Durch neuartige und verbesserte Brenner- und Wärmerückgewinnungssysteme wird der energieeffiziente Einsatz von heizwertärmeren Prozess- und Sekundärgasen erreicht. Neue Flachflammenbrenner mit regenerativer Brennluftvorwärmung werden betriebstauglich entwickelt und an einem kleinen Ofen erprobt. Darauf basierend wird ein Regelungskonzept mit hohen Anforderungen an die Betriebssicherheit entwickelt, an einem größeren Schmiedeofen umgesetzt und im Betrieb optimiert. Für den Einsatz mit Prozess- und Sekundärgasen werden diese Brenner sodann erweitert und durch experimentelle Untersuchungen abgesichert. Die Vorwärmung von heizwertarmen Brenngasen wird untersucht und dieses mit den neuen Brennern an einem industriellen prozessgasbeheizten Ofen umgesetzt. Das neue Beheizungssystem (Flachflammenbrenner mit Brennmedienvorwärmung) kann an vielen Öfen eingesetzt werden mit dem Ziel Primärenergieeinsparung bei hoher Produktqualität. Die Zusammenarbeit der Projektpartner sichert den Projekterfolg und die weite Verbreitung der Ergebnisse.
Das Buerogebaeude Lamparter wurde als integral geplantes Passiv-Buerohaus entwickelt und erreicht somit einen spezifischen Heizenergiebedarf von unter 15 kWh/(m2a). Die detaillierte Planung fuer das Gebaeude begann im Sommer 1998, nachdem sich der Bauherr bei einem von ihm ausgeschriebenen Wettbewerb fuer das Konzept der Architekten-Werkgemeinschaft Maier, Weinbrenner, Single in Nuertingen und des Fraunhofer Instituts fuer Solare Energiesysteme in Freiburg (ISE) entschied. Baubeginn war im Maerz 1999 und Ende Dezember 1999 ist die Fertigstellung des Gebaeudes geplant. Im Rahmen des Foerderprogramms 'Solar optimiertes Bauen' www.solarbau.de Teilkonzept 3 wird im Fachbereich Bauphysik die 'Phase II: Evaluierung' durchgefuehrt. Hier sollen die in der Planung festgesetzten Energieverbraeuche und raumklimatischen Bedingungen, sowie das Nutzerverhalten messtechnisch erfasst und analysiert werden. Aus den erhaltenen Erkenntnissen und Daten wird eine Systemoptimierung erarbeitet. Weiterhin werden Validierungen von Planungsprogrammen zur Simulation des thermischen Verhaltens von Gebaeuden durchgefuehrt. Beim Passiv-Buerohaus Lamparter handelt es sich um ein dreigeschossiges Gebaeude fuer 43 Personen mit einer Nettogrundflaeche von 1.488 m2, dessen massive Innenbauteile aus Stahlbeton die Tragkonstruktion und die leichten Aussenbauteile in Holz-Rippenbauweise die thermische Huelle bilden. Auf der Nord- und Suedseite befinden sich die Bueros. Im mittleren Teil des Gebaeudes ergibt sich eine Kombizone, die als Erschliessungszone genutzt wird. Das Gebaeude weist aufgrund seines extrem guten Waermedaemmstandarts, seines kompakten Baukoerpers, der passiven Solarenergienutzung und einer Lueftungsanlage mit hocheffizienter Waermerueckgewinnung (doppelter Kreuzstromwaermetauscher) und Erdreichwaermenutzung (Erdreichwaermetauscher mit 90 m Laenge) einen spezifischen Heizenergiebedarf von 11,6 kWh pro Quadratmeter beheizter Nutzflaeche (1000 m2) und Jahr auf. Das Buerogebaeude erreicht den Passivhaus-Standart von maximal 15 kWh/(m2a) und kann somit allein ueber eine Zuluft-Nacherwaermung - ohne Erhoehung des hygienisch notwendigen Luftwechsels und ohne Umluftanteile - beheizt werden. Die Waermeversorgung des Gebaeudes erfolgt ueber eine Gas-Brennwerttherme, die fuer die Bereitung des Warmwassers (Handwaschbecken, Spuele und Spuelmaschine) durch eine Solaranlage mit Vakuumroehrenkollektoren unterstuetzt wird. Im Sommer werden nachts, wenn Kuehlbedarf besteht und die Aussenlufttemperatur unter die Raumlufttemperatur sinkt, die im DG am hoechsten Punkt befindlichen Oberlicht-Fenster automatisch geoeffnet. Die Tueren und Oberlichter der Bueroraeume werden manuell betaetigt. Aufgrund des thermischen Auftriebs im Gebaeude gelangt kuehlere Aussenluft in die Bueroraeume und stroemt ueber das offene Treppenhaus und die DG-Oberlichter nach aussen. Der so erzeugte erhoehte Luftwechsel bewirkt eine Abkuehlung der im Gebaeude befindlichen Massen.(gekuerzt)
Die Verbundpartner entwickeln ein Energie- und Stoffstrommanagement auf der Basis eines Mephrec®-Schmelzreaktors zur Verwertung des regional erzeugten Klärschlamms mit dem Ziel der nahezu reststofffreien Rückgewinnung und Nutzung der enthaltenen Energie, der Metalle und der Pflanzennährstoffe. Mit Hilfe einer Pilotanlage im halbtechnischen Maßstab soll das Mephrec®-Verfahren der einstufigen, metallurgischen Verarbeitung des Klärschlamms in seinen Kernkomponenten getestet werden. In diesem Sinne sollen mit dem Vorhaben alle maßgeblichen Fragen der integrierten Systemlösung zur energetischen und stofflichen Verwertung mit Allokation der Abwasserinhaltsstoffe beantwortet werden. Die Baumgarte Boiler Systems GmbH ist verantwortlich für die Planungsleistungen im Bereich Objektplanung und technische Ausrüstung sowie für die Bauausführung der Pilotanlage. Zum Lieferumfang bzw. Verantwortungsbereich gehört der Mephrec®-Reaktor, der Gasbrenner mit Muffel, der Stahlungsrekuperator, der Wärmetauscher, die Rauchgasreinigung, das Schlacken- und Eisenhandling, die Düsen-, Herd- sowie die el. und leittechn. Ausrüstung o.g. Komponenten. Der Lieferumfang beginnt an der Einwurföffnung am Mephrec®-Reaktor und endet rauchgasseitig unmittelbar hinter dem Schlauchfilter. Der benötigte Sauerstoff inkl. Düsen wird an der Primärwindeindüsung zur Verfügung gestellt. Baumgarte Boiler Systems wird die o.g. Komponenten auslegen, konstruieren, liefern, montieren, in Betrieb nehmen und den Betrieb wenn notwendig begleiten.
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