Reduktion fossiler Energieverbräuche durch Prozessoptimierung mit Hilfe der Simulationsbetrachtung

Status

abgeschlossen

Kurzfassung

Aufgabenstellung

Der betrachtete Prozess der Lenzing AG ist das Musterbeispiel eines Polygenerationszentrums auf Basis Holz. Neben der Produktion von Zellstoff und dessen direkte Weiterverarbeitung zu Regeneratfasern werden zusätzlich eine Reihe von Feinchemikalien (Essigsäure, Xylose, Furfural, Ligno-sulfonat) für den Food und Non-food Sektor aus dem eingesetzten Buchenholz (Gesamteinsatz rund 600.000 Jahrestonnen) gewonnen. Der stofflich nicht weiter verwertbare Anteil der Biomasse dient der Energieerzeugung und ist die Basis für den hohen Grad der Eigenversorgung für Produktionsanlagen am Standort Lenzing. Neben Dampf auf mehreren Druckniveaus und kogeneriertem Strom wird Energie auch als Heißwasser, Vakuum, Kälte und Druckluft angeboten.

Durch die Nutzung zusätzlicher biogener und fossiler Energieträger werden in Lenzing fast 99% des gesamten Eigenbedarfes der LAG durch Produktion am Standort abgedeckt. Darüber hinaus werden auch eine Reihe von weiteren Unternehmen in Lenzing (Danisco, Evonik, Sintimid, SML, Lenzing Technik und Lenzing Plastics) mitversorgt. Im Jahr 2006 betrug die so erzeugte Energiemenge 12.506.727 GJ. Der dazu eingesetzte Brennstoffmix besteht aus ca. 83% biogenen und 17% fossilen Energieträgern. Nur etwas mehr als 1% der gesamten Energie wird als Fremdstrom bezogen. In vielen Teilbereichen sind schon kaskadische Energienutzungen installiert, so dass das betrachtete System bereits zu Beginn der Arbeiten hohe Energieeffizienz aufweist.

Dementsprechend weist das Energienetzwerk eine hohe Komplexität auf und die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Bereichen sind mit herkömmlichen Methoden schwer nachvollziehbar. Extrem unterschiedliche Nutzungsprofile der einzelnen Verbraucher haben enorm hohen Einfluss auf die Stabilität der einzelnen Subnetze und auf die Gesamteffizienz des Systems. Individuelle Energie-einsparungsmaßnahmen bewirken damit fallweise für das Gesamtsystem negative Effekte und ansteigenden Energieverbrauch. Prozesssimulation und computerunterstützte Optimierungs-maßnahmen sind in überschaubaren Energienetzwerken heutzutage Stand der Technik. In den einfachen Systemen liefern auch die mitgelieferten Standardoptimierungsmethoden brauchbare Ergebnisse. Allerdings stößt man in vielschichtigen, komplexen Netzwerken mit den herkömmlichen Methoden zur Energieeffizienzsteigerung zunehmend an die Grenzen und kann mit ihnen keine für die Praxis relevanten Ergebnisse erzielen. Dies liegt einerseits an der verwendeten Methodik, welche für einfache Prozesse entwickelt wurde, andererseits an einer Vielzahl von Parametern die neben den energetischen Belangen zusätzlich berücksichtigt werden müssen (Wirtschaftlichkeit der notwendigen Investitionskosten, Transportwege des Mediums etc.).

Schwerpunkte des Projekts

Ziel des vorliegenden Projekts ist die energetische Optimierung eines Industriestandortes anhand einer zu entwickelnden, computergestützten Optimierungsmethodik. Als Modellsystem dient dabei das reale, hochkomplexe Energienetzwerk mit Polygeneration der Lenzing AG. Mit dem vorliegenden Projekt soll das Potential der vorhandenen Energieströme voll ausgenutzt werden. Der Anteil der Energie, der in Form von Prozesswärme vorliegt, soll im Zuge dieses Projektes analysiert und ihre Ausnutzung optimiert werden.

Die Herausforderung in diesem Projekt liegt ganz klar in der hohen Komplexität des Systems, bei der eine Optimierung mit herkömmlichen Methoden nicht möglich ist. Aus diesem Grund ist ein wesentlicher Bestandteil des Projektes die Entwicklung einer computerunterstützten Optimierungsmethode, die basierend auf den Betriebsdaten die Optimierungspotentiale des Systems ermittelt. Aufbauend auf den erzielten Ergebnissen werden in weiterer Folge realisierbare Umsetzungsprojekte zur Energieeffizienzsteigerung ausgearbeitet. Eine dadurch bedingte Reduktion des spezifischen Energieeinsatzes soll zur Reduktion von zugekauften fossilen Energieträgern genutzt werden. Das führt neben der Kostenreduktion auch zu einer Verbesserung der Umweltsituation (Einsparung von CO2-Emmisionen).

Im Zuge dieser Optimierung müssen viele Kriterien berücksichtigt werden:

• Einbeziehung von Schwankungen des Massenstroms bzw. der Wärmekapazität einzelner Ströme bei der Erstellung des Wärmetauschernetzwerkes.
• Kommen im untersuchten Prozess Ströme mit großen Temperaturänderungen vor, so können diese nur unter Verwendung spezieller Formulierungen exakt beschrieben werden
• Bei Unterteilung in Teilnetzwerke ist zu beachten, dass die Wahl der unabhängigen Subnetze das Ergebnis der Optimierung des Gesamtnetzwerkes beeinflusst
• Die Optimierung einer bestehenden Anlage erfordert andere Optimierungsmethoden als ein "Grüne Wiese" Szenario.

Projektleiter

DI Markus Wiesinger
Lenzing Aktiengesellschaft

Projekt- und Kooperationspartner

• Ao. Univ.-Prof. DI. Dr. Anton Friedl
  TU Wien, Inst. für Verfahrenstechnik, Forschungsbereich 1662