Energieffektivisering i industrien Brian Elmegaard Sektion Termisk Energi DTU Mekanik Teknologisk Institut Århus 2. Marts 2015
Indhold Potentielle besparelser Udnyttelse af overskudsvarme Analyseværktøjer Muligheder Udfordringer Varmepumper 2 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Energiforbrugets sammensætning i fremstillingsvirksomhed 100% Klimakorrigeret 80% 60% 40% 20% 0% 1980 1990 2000 2011 Olie Naturgas Kul og koks Vedvarende energi m.m. El Fjernvarme Ref: Energistatistik, Energistyrelsen, 2012 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
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
Potentiel lavtemperatur varme 245 TJ/y Waste heat energy, GJ/year Total waste heat energy excl. solar thermal 5.000.000 4.500.000 4.000.000 3.500.000 3.000.000 2.500.000 2.000.000 1.500.000 1.000.000 500.000-0 100 200 300 400 500 Temperature, o C Ref: Huang et al Industrial Energy Mapping THERMCYC WP6, 2014 5 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Potentiale for varmegenvinding 400 Temperature [ C] 300 200 100 0 10 5 Energy 10 4 Exergy Waste Heat [TJ] 10 3 10 2 10 1 10 0 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 2015 6 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Kraftproces Spildvarme til el Heat source inlet Power generation ~100-500 C Heat absorption Heat rejection Heat source outlet DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
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
Carnotprocessen T T Varmepumpe s Kraft s Carnotprocessen sætter grænsen for udnyttelse ved konstant temperatur 9 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Reel varmeveksling Temperature [ C] Pure fluid Heat transfer [kw] 10 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Lorenzprocessen T T Varmepumpe s Kraft s Lorenzprocessen sætter grænsen for udnyttelse ved temperaturglid 11 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Kraftproces med blandet medie Kalina 12 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Varmepumpe med blandet medie Osenbrück (Hybrid) 13 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Komponent Testfaciliteter 14 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
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
Potentiale for udnyttelse Ref: Sørensen Udnyttelse af industriel spildvarme, Afgangsprojekt 2014 16 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Kriterier for valg 17 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Bedste alternativ Drift uden afgifter 18 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Bedste alternativ Drift med afgifter proces 19 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Bedste alternativ Drift med afgifter rumvarme 20 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Bedste alternativ Drift + inv. med afgift proces 21 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Bedste alternativ Energiudnyttelse 22 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Indhold Potentielle besparelser Udnyttelse af overskudsvarme Analyseværktøjer Muligheder Pinchanalyse Exergianalyse Udvidelser Varmepumper 23 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Procesintegration (energipinch) Fx. udveksling af varme og kulde Water Steam 65 C Cond. Water 10 C T ( C) 350 300 250 200 150 100 50 0 0 200 400 600 800 1000 1200 Q (kw) DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
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
Strømdata Overblik skabes ved at samle strømdata. Process Name T start ( C) T target ( C) Heat Capacity (kw/ C) 1. Air to thermofixing 20 190 0.67 2. Air from thermofixing a 160 42 0.81 3. Air from thermofixing b 42 40 5.75 4. Air to drying in themofixing 20 140 0.83 5. Air from drying in thermofixing 120 40 0.94 6. Air to drying 20 140 2.70 7. Air from drying a 120 52 3.38 8. Air from drying b 52 40 23.74 9. Domestic water 5 60 1.38 10. Water for 3 washing machines 5 40 13.94 11. Water for 3 washing machines 5 40 13.94 12. Boiler: Feeding water 70 100 17.16 13. Boiler: Make up water 5 16 8.62 14. Blowdown water (steam boiler) 150 15 0.89 15. Water for boiling machines 5 70 0.10 16. Air from decatizing machine(1a) 65 55 0.83 17. Air from decatizing machine(1b) 55 40 5.20 18. Air from decatizing machine(2a) 65 50 1.21 19. Air from decatizing machine(2b) 55 40 9.50 20. Water for other purposes 5 40 0.35 21. Water from washing machines 37 15 27.88 22. Condensate from thermofixing. 70 15 0.36 23. Condensate from thermofixing 70 15 0.37 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Pinch-eksempel Nr. Type Start ( O C) Slut ( O C) Kap.strøm (kj/s* o C) 1 kold 10 90 2 2 varm 60 0 1,5 3 varm 110 50 1 2 1,5 1 0 20 40 60 80 100 120 C DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Lille kompositkurve for T=10 C 120 100 80 T [C] 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Q [kj/s] DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Stor kompositkurve T min =10 o C 120 100 80 T [C] 60 40 20 0-20 0 10 20 30 40 50 60 Q [kw] DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Pinch-eksempel Nr. Type Start ( O C) Stut ( O C) Kap.strøm (kj/s* o C) 1 kold 10 90 2 2 varm 60 0 1,5 3 varm 110 50 1 2 H1 H2 1,5 1 0 20 40 60 80 100 120 C DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
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
Indhold Potentielle besparelser Udnyttelse af overskudsvarme Analyseværktøjer Muligheder Udfordringer Varmepumper 32 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
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
Driftdomæner ΔT kilde =10 K, ΔT dræn =10 K 34 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Driftdomæner ΔT kilde =10 K, ΔT dræn =40 K 35 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Optimal varmepumpe 36 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
Optimal varmepumpe med hybrid 37 DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet
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