Karsten Riedl

Exergetische und exergoökonomische Bewertung von Verfahren der Energie- und Stoffwandlung

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigt durch Zentrum für Ingenieurwissenschaften der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 21.05.2007

Abstract
Die Verfahren der Energie- und Stoffwandlung sind stets mit thermodynamischen Verlusten und ökonomischen Aufwendungen verbunden, so dass mit thermodynamisch-ökonomischen Modellen der Zugang zu einer umfassenden Analyse und Bewertung geschaffen werden kann. Die Ziele der exergoökonomischen Methodik liegen in der Bewertung der thermodynamischen Effizienz der Struktureinheiten durch den Bezug zum reversiblen Prozess, der Lokalisierung der Umwandlungsverluste im System, der Einschätzung der Wirtschaftlichkeit und in der Entwicklung einer verursachungsgerechten und naturwissenschaftlich begründbaren Kostenallokation bei Kuppelproduktionen.
Die thermodynamische Zustandsgröße Exergie wird genutzt, um Exergiebilanzen für alle Bilanzräume des hierarchisch gegliederten Verfahrens aufzustellen. Die Aussagekraft dieser Bilanzen wird durch die Bestimmung der Transitexergie verbessert. Darüber hinaus ist es in komplexen Systemen erforderlich, die äußeren Exergieverluste verursachungsgerecht zuzuordnen, wobei direkte und indirekte äußere Exergieverluste unterschieden werden. Zur korrekten Evaluierung der Elemente des untersuchten Systems stehen – neben dem exergetischen Verlustgrad als Effektivitätskennzahl – mit dem exergetischen Wichtungsfaktor und dem exergetischen Verlustbeitrag Kennzahlen zur Einordnung der Bedeutung des betrachteten Elementes innerhalb des Systems zur Verfügung. Zusätzlich erlaubt diese Methode die Bewertung von Exergieströmen im System mit Hilfe des Basisexergiefaktors.
Darauf aufbauend wird unter Einbeziehung der Kostenarten Exergiekosten, Investitionskosten sowie Personal- und Wartungskosten ein exergoökonomisches Modell abgeleitet, das auf Kostenbilanzen für alle Struktureinheiten des untersuchten Verfahrens beruht. Im Modell werden die Kosten von Kuppelproduktionen unter Berücksichtigung der Transitexergie exergetisch auf die Produktströme aufgeteilt. Die Basiskosten geben als Bewertungsbezugsgröße die minimalen Kosten zur Erzeugung eines Produktexergiestromes an, die für einen reversiblen Prozess, der keine Systemkosten erfordert, anfallen. Mit der Aufteilung der Gesamtkosten in Basis- und Zusatzkosten ist es möglich, die ökonomische Effektivität der Stoff- und Energiewandlung in einem Bilanzraum zu bewerten. Für die Analyse der Kostenentwicklung im Verfahren und zur Lokalisierung der Zusatzkosten in einem komplexen System stehen der exergoökonomische Wichtungsfaktor und der Zusatzkostenbeitrag zur Verfügung. Zusätzlich kann der Basiskostenfaktor, der das Verhältnis von Basiskosten zu Gesamtkosten charakterisiert, als stromorientierte Bewertungsziffer genutzt werden.
Die Anwendung des exergoökonomischen Bewertungsmodells wird anhand zweier Beispiele aus dem Bereich der Abfallverwertung demonstriert.

Processes of energy and matter conversion are always associated with thermodynamic losses and economic expenses, so that thermodynamic-economic models can provide access to a comprehensive analysis and evaluation. It is the aim of the exergoeconomic methodology to evaluate the thermodynamic efficiency of the units in reference to the reversible process, to pinpoint losses within the system, to estimate economic efficiency, and to develop a activity-based and scientific-based cost allocation in case of joint production.
The property exergy is used to establish exergy balances for all control volumes of the hierarchic structured process. The expressiveness can be enhanced by identifying the transit exergy. Furthermore, it is necessary in complex systems to allocate external exergy losses in accordance to the cause of losses, dividing these losses in direct and indirect external exergy losses. For unit evaluation in the considered system the following ratios are available: The exergetic loss coefficient as an efficiency ratio as well as the exergetic significance factor and the exergetic loss component for classifying the importance of the unit for the whole system. Additionally an evaluation of exergy flows within the system is provided by the basic exergy factor.
Based on that, an exergoeconomic model is derived including the cost types as exergy costs, investment costs, as well as labour and maintenance costs. Cost balances are established for all structural units of the considered plant. The model allocates costs in case of joint production depending on the product's exergy content taking into account transit exergy. Basic costs as reference figure are defined as cost minimum of product exergy, which is ideally generated in a reversible process without system costs. Splitting total costs into basis costs and additional costs enables the evaluating of economic efficiency of matter and energy conversion within a control volume. For analysing cost formation within the process and for localisation of additional costs within the complex system the exergoeconomic significance factor and the additional cost component are available. Additionally, the basis cost factor, characterising the ratio of basis costs to total costs, can be used.
Application of the presented exergoeconomic model is demonstrated by means of two examples of waste processing.

Keywords:
Exergie, Exergoökonomie, hierarchische Bewertung, Analysemethode, Kennzahlen, Transitexergie, Basiskosten, Anwendungsbeispiel

exergy, exergoeconomy, hierarchic evaluation, analysis method, performance figures, transit exergy, basis costs, example of use

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Inhaltsverzeichnis
Titelblatt, Vorwort, Inhaltsverzeichnis, Abbildungsverzeichnis, Tabellenverzeichnis, Abkürzungsverzeichnis (1, I-XII)
1 Problemstellung (1-17)
2 Exergetische Bewertung (18-55)
3 Exergoökonomische Bewertung (56-92)
4 Anwendungsbeispiele (93-158)
5 Zusammenfassung (159-161)
Literaturverzeichnis (162-174)
Anhang (175-203)