Energieffektivisering i industrien

Transkript

1 Energieffektivisering i industrien Brian Elmegaard Sektion Termisk Energi DTU Mekanik Teknologisk Institut Århus 2. Marts 2015

2 Indhold Potentielle besparelser Udnyttelse af overskudsvarme Analyseværktøjer Muligheder Udfordringer Varmepumper 2 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

3 Energiforbrugets sammensætning i fremstillingsvirksomhed 100% Klimakorrigeret 80% 60% 40% 20% 0% Olie Naturgas Kul og koks Vedvarende energi m.m. El Fjernvarme Ref: Energistatistik, Energistyrelsen, 2012 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

4 THERMCYC Projektet Marts 2014 Februar 2019 Hypotese Low-temperature heat sources are available in many applications, ranging from waste heat from marine diesel engines, industries and refrigeration plants to biomass, geothermal and solar heat sources. Great potential for enhancing the utilization of these heat sources by novel cycle and component design and use of working fluid mixtures. 4 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

5 Potentiel lavtemperatur varme 245 TJ/y Waste heat energy, GJ/year Total waste heat energy excl. solar thermal Temperature, o C Ref: Huang et al Industrial Energy Mapping THERMCYC WP6, DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

6 Potentiale for varmegenvinding 400 Temperature [ C] Energy 10 4 Exergy Waste Heat [TJ] Boiler losses Heating/boiling Drying Evaporation Distillation Furnace Melting Other heat Compressed air Refrigeration/cooling Space heating Ref: Bühler et al Mapping of low temperature heat sources in Denmark indsendt til ECOS DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

7 Kraftproces Spildvarme til el Heat source inlet Power generation ~ C Heat absorption Heat rejection Heat source outlet DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

8 Varmepumpe El og spildvarme til varme Heat source inlet ~0-100 C M Power consumption Heat absorption Heat supply Heat source outlet DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

9 Carnotprocessen T T Varmepumpe s Kraft s Carnotprocessen sætter grænsen for udnyttelse ved konstant temperatur 9 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

10 Reel varmeveksling Temperature [ C] Pure fluid Heat transfer [kw] 10 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

11 Lorenzprocessen T T Varmepumpe s Kraft s Lorenzprocessen sætter grænsen for udnyttelse ved temperaturglid 11 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

12 Kraftproces med blandet medie Kalina 12 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

13 Varmepumpe med blandet medie Osenbrück (Hybrid) 13 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

14 Komponent Testfaciliteter 14 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

15 CAMD Computer-aided Molecular Design -CF2- -CH3 -CH3COO -CF3 -CH=C etc. Building blocks: 1) Molecular groups 2) Molecules Optimization algorithm Chemical product: 1) Pure components 2) Mixtures 15 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

16 Potentiale for udnyttelse Ref: Sørensen Udnyttelse af industriel spildvarme, Afgangsprojekt DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

17 Kriterier for valg 17 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

18 Bedste alternativ Drift uden afgifter 18 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

19 Bedste alternativ Drift med afgifter proces 19 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

20 Bedste alternativ Drift med afgifter rumvarme 20 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

21 Bedste alternativ Drift + inv. med afgift proces 21 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

22 Bedste alternativ Energiudnyttelse 22 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

23 Indhold Potentielle besparelser Udnyttelse af overskudsvarme Analyseværktøjer Muligheder Pinchanalyse Exergianalyse Udvidelser Varmepumper 23 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

24 Procesintegration (energipinch) Fx. udveksling af varme og kulde Water Steam 65 C Cond. Water 10 C T ( C) Q (kw) DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

25 Varmevekslernetværk - Procesintegration Skab overblik indsamle procesdata sorter i data opstil potentialer Strømdata Pinch Analyse Fastsættelse af mål ved brug af pinch-analyse generer netværk Optimer Udregn priser Indhent priser Økonomi Optimering Netværk DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

26 Strømdata Overblik skabes ved at samle strømdata. Process Name T start ( C) T target ( C) Heat Capacity (kw/ C) 1. Air to thermofixing Air from thermofixing a Air from thermofixing b Air to drying in themofixing Air from drying in thermofixing Air to drying Air from drying a Air from drying b Domestic water Water for 3 washing machines Water for 3 washing machines Boiler: Feeding water Boiler: Make up water Blowdown water (steam boiler) Water for boiling machines Air from decatizing machine(1a) Air from decatizing machine(1b) Air from decatizing machine(2a) Air from decatizing machine(2b) Water for other purposes Water from washing machines Condensate from thermofixing Condensate from thermofixing DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

27 Pinch-eksempel Nr. Type Start ( O C) Slut ( O C) Kap.strøm (kj/s* o C) 1 kold varm ,5 3 varm , C DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

28 Lille kompositkurve for T=10 C T [C] Q [kj/s] DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

29 Stor kompositkurve T min =10 o C T [C] Q [kw] DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

30 Pinch-eksempel Nr. Type Start ( O C) Stut ( O C) Kap.strøm (kj/s* o C) 1 kold varm ,5 3 varm H1 H2 1, C DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

31 Andre analyser Pinchanalyse Kortlægning og udnyttelse af varmegenvindingspotentiale Udfordringer: Tid Afstand Økonomi som kriterium Udvidelser Avancerede: Total site, Vand og energi, Simplificeringer: Screening, usikkerhedsrobust, En deludgave af exergianalyse Exergianalyse Komplet analyse af termodynamiske uudnyttede potentialer Varmetab, varmeoverføring, friktion, køling, Exergoøkonomi Kombineret optimering af uudnyttet potentiale og økonomi DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

32 Indhold Potentielle besparelser Udnyttelse af overskudsvarme Analyseværktøjer Muligheder Udfordringer Varmepumper 32 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

33 Varmepumpe definition Ref: Ommen et al. Technical and Economic Working Domains of Industrial Heat Pumps: Part 1 - Vapour Compression Heat Pumps, Jensen et al. Technical and Economic Working Domains of Industrial Heat Pumps: Part 2- Ammonia-Water Hybrid Absorption-Compression Heat Pumps. 11th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants. 33 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

34 Driftdomæner ΔT kilde =10 K, ΔT dræn =10 K 34 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

35 Driftdomæner ΔT kilde =10 K, ΔT dræn =40 K 35 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

36 Optimal varmepumpe 36 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

37 Optimal varmepumpe med hybrid 37 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

38 Afrunding Stort potentiale for genvinding ved procesintegration Stærke analyseværktøjer findes Og udvikles løbende videre Udfordringer ved anvendelse Krav til proceskortlægning Krav til økonomi Krav til produktkvalitet Krav til gennemsigtighed 38 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet