Energieffektivisering i industrien - teknologisk.dk DTU... · 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

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

DTU Mekanik, Danmarks Tekniske Universitet

Indhold • Potentielle besparelser

– Udnyttelse af overskudsvarme

• Analyseværktøjer – Muligheder – Udfordringer

• Varmepumper

2 06.03.2015


0%

20%

40%

60%

80%

100%

1980 1990 2000 2011

Olie Naturgas Kul og koks Vedvarende energi m.m. El Fjernvarme

Klimakorrigeret

Energiforbrugets sammensætning i fremstillingsvirksomhed

Ref: Energistatistik, Energistyrelsen, 2012


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


Potentiel lavtemperatur varme 245 TJ/y

5 06.03.2015

-

500.000

1.000.000

1.500.000

2.000.000

2.500.000

3.000.000

3.500.000

4.000.000

4.500.000

5.000.000

0 100 200 300 400 500

Was

te h

eat

ener

gy,

GJ/

year

Temperature, oC

Total waste heat energy excl. solar thermal

Ref: Huang et al ”Industrial Energy Mapping – THERMCYC WP6”, 2014


Potentiale for varmegenvinding

6 06.03.2015

Boiler losses

Heating/boiling Drying

Evaporation

Distillation

FurnaceMeltin

g

Other heat

Compressed air

Refrigeration/cooling

Space heating

Was

te H

eat [

TJ]

10 0

10 1

10 2

10 3

10 4

10 5

EnergyExergy

Tem

pera

ture

[°C

]

0

100

200

300

400

Ref: Bühler et al ”Mapping of low temperature heat sources in Denmark” indsendt til ECOS 2015


Kraftproces – Spildvarme til el

06 03 2015

Heat source inlet

~100-500°C

Heat source outlet

Heat absorption

Power generation

Heat rejection


Varmepumpe – El og spildvarme til varme

06 03 2015

Heat source inlet

~0-100°C

Heat source outlet

Heat absorption

Power consumption

Heat supply

M


Carnotprocessen

9 06.03.2015

T

s

T

s Varmepumpe Kraft

Carnotprocessen sætter grænsen for udnyttelse ved konstant temperatur


Reel varmeveksling

10 06.03.2015

Tem

pera

ture

[°C

]

Heat transfer [kW]

Pure fluid


Lorenzprocessen

11 06.03.2015

T

s

T

s Varmepumpe Kraft

Lorenzprocessen sætter grænsen for udnyttelse ved temperaturglid


Kraftproces med blandet medie – Kalina

12 06.03.2015


Varmepumpe med blandet medie – Osenbrück (Hybrid)

13 06.03.2015


Komponent – Testfaciliteter

14 06.03.2015


CAMD – Computer-aided Molecular Design

15 06.03.2015

Building blocks:

1) Molecular groups 2) Molecules

Chemical product: 1) Pure components 2) Mixtures

Optimization algorithm

-CH3 -CF2-

-CF3

-CH3COO

-CH=C etc.


Potentiale for udnyttelse

16 06.03.2015

Ref: Sørensen ” Udnyttelse af industriel spildvarme”, Afgangsprojekt 2014


Kriterier for valg

17 06.03.2015


Bedste alternativ – Drift uden afgifter

18 06.03.2015


Bedste alternativ – Drift med afgifter proces

19 06.03.2015


Bedste alternativ – Drift med afgifter rumvarme

20 06.03.2015


Bedste alternativ – Drift + inv. med afgift proces

21 06.03.2015


Bedste alternativ – Energiudnyttelse

22 06.03.2015




• Analyseværktøjer – Muligheder

• Pinchanalyse • Exergianalyse • Udvidelser

• Varmepumper

23 06.03.2015


Procesintegration (energipinch)

• Fx. udveksling af varme og ”kulde”

0

50

100

150

200

250

300

350

0 200 400 600 800 1000 1200

Q (kW)

T (

°C)

Steam

Cond. Water

10°C

Water

65°C


Varmevekslernetværk - Procesintegration • Skab overblik

– indsamle procesdata – sorter i data – opstil potentialer

• Analyse

– Fastsættelse af mål ved brug af pinch-analyse

– generer netværk • Optimer

– Udregn priser – Indhent priser

Strømdata

Pinch

Netværk

Optimering

Økonomi


Strømdata • Overblik

skabes ved at samle strømdata.

Process Name Tstart

(°C)

Ttarget

(°C)

HeatCapacity(kW/°C)

1. Air to thermofixing 20 190 0.672. Air from thermofixing a 160 42 0.813. Air from thermofixing b 42 40 5.754. Air to drying in themofixing 20 140 0.835. Air from drying in thermofixing 120 40 0.946. Air to drying 20 140 2.707. Air from drying a 120 52 3.388. Air from drying b 52 40 23.749. Domestic water 5 60 1.3810. Water for 3 washing machines 5 40 13.9411. Water for 3 washing machines 5 40 13.9412. Boiler: Feeding water 70 100 17.1613. Boiler: Make up water 5 16 8.6214. Blowdown water (steam boiler) 150 15 0.8915. Water for boiling machines 5 70 0.1016. Air from decatizing machine(1a) 65 55 0.8317. Air from decatizing machine(1b) 55 40 5.2018. Air from decatizing machine(2a) 65 50 1.2119. Air from decatizing machine(2b) 55 40 9.5020. Water for other purposes 5 40 0.3521. Water from washing machines 37 15 27.8822. Condensate from thermofixing. 70 15 0.3623. Condensate from thermofixing 70 15 0.37


Pinch-eksempel

Nr. Type Start (OC)

Slut (OC)

Kap.strøm (kJ/s*oC)

1 kold 10 90 2 2 varm 60 0 1,5 3 varm 110 50 1

0 20 40 60 80 100 120

C

2

1,5

1


Lille kompositkurve for ∆T=10°C

0

20

40

60

80

100

120

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Q [kJ/s]

T [C

]


Stor kompositkurve ∆Tmin=10oC

-20

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60

Q [kW]

T [C

]


Pinch-eksempel Nr. Type Start(OC)

Stut(OC)

Kap.strøm(kJ/s*oC)

1 kold 10 90 22 varm 60 0 1,53 varm 110 50 1

0 20 40 60 80 100 120

C

2

1,5

1

H1 H2


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




• Analyseværktøjer – Muligheder – Udfordringer

• Varmepumper

32 06.03.2015


Varmepumpe definition

33 06.03.2015

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.


Driftdomæner ΔTkilde=10 K, ΔTdræn=10 K

34 06.03.2015


Driftdomæner ΔTkilde=10 K, ΔTdræn=40 K

35 06.03.2015


Optimal varmepumpe

36 06.03.2015


Optimal varmepumpe med hybrid

37 06.03.2015


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 06.03.2015

Documents

Energieffektivisering i industrien - teknologisk.dk DTU... · 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