als limitierender Faktor bei der Nutzung Wärmenutzungssystemen

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1 Instationarität von industrieller Abwärme als limitierender Faktor bei der Nutzung und Integration in Wärmeverteil- und Wärmenutzungssystemen 11. Energieinnovations-Symposium "ALTE ZIELE - NEUE WEGE" Graz, DI (FH) Michael Wanek (FH JOANNEUM GmbH, Studiengang )

2 Inhalt Überblick Einleitung Ist-Stand Ziele Methoden Ausgewählte Ergebnisse Typen Industrieller Abwärme und deren Charakteristik Beeinflussungsmöglichkeit Indsutrieller Abwärmequellen Relevante Parameter Industrieller Abwärme und Kennzahlen Integration von Abwärme in Wärmeverteilnetze Zusammenfassung

3 Überblick Einleitung it Anteil der Fernwärme am Endenergieeinsatz für Raumwärme und Warmwassererzeugung beträgt in Österreich ca. 12 [%]. Nutzung von industrieller Abwärme kann Beitrag zum Kyoto- Protokoll und zur CO2-Reduktion leisten. Der Primärenergiefaktor für industrielle Abwärme liegt bei,5 [-]. (fossile Brennstoffe mindestens 1,1 [-]).

4 Ist-Stand Abwärme Abwärme aus industriellen Prozessen wird zumeist nur direkt innerhalb der Produktion genutzt. Die Abwärmenutzung ist nicht auf einen konkreten Wärmebedarf ausgelegt. Das Produkt steht im Vordergrund, die Nutzung von Abwärme ordnet sich den Produktionsabläufen unter. Instationärer Charakter als Folge. Dampflieferu ng [t/h] : 12: : 12: : Zeitreihe Abbildung 1: Beispiel für eine instationäre Dampferzeugung durch Abwärme Literaturquelle: [Interne Daten]

5 Ist-Stand Fernwärme 1 Instationäre Charakter von industrieller Abwärme lässt sich nur schwer mit dem Fernwärmebedarf vereinbaren. Unterschiedliches Druck- und Temperaturniveau. Derzeit kommt industrielle Abwärme in Fernwärmenetzen nur zur Abdeckung der Mindestleistung im Sommer zum Einsatz. im Verhältnis zu ur eistung [%] Aktuelle Leistung Maximalle Jahreszeitreihe [h] Abbildung 2: Typische spezifische Jahresdauerlinie der Fernwärmeleistung Literaturquelle: [Smole 25]

6 Probleme Methoden für eine technologische und wirtschaftliche Bewertungen von industrieller Abwärme sind nicht vorhanden. Daher ist auch der Anteil der Abwärme an der gesamt Fernwärmeleistung sehr gering.

7 Ziele Schaffen einer Datengrundlage zu Fernwärmenetzen und Abwärmequellen (Charakteristiken sind dargelegt). Ermitteln von Kennzahlen zur technischen und wirtschaftlichen Bewertung. Integrationsmöglichkeiten von Abwärme in Fernwärmenetze sind darlegen.

8 Methoden Open Innovation Ansatz Zusammenarbeit mit Zielgruppen Großindustrie mit einem signifikanten Potential an industrieller Abwärme und Betreiber von Fernwärmenetzen in Österreich. 1. Datenerhebung Rahmenbedingunen Abwärmequellen Fernwärmenetze 2. Bewertungsmethoden Kennzahlen Integration in Fernwärmenetze 3. Tests und Dokumentation

9 Ergebnisse Fernwärmenetze relevante Parameter Vor- und Rücklauftemperaturen (z. B. 13 [ C] im VL; 6 [ C] im RL) Leistungsgradienten Wärmeleistung (Lastgang, Dauerlinien) Medienqualität Korrosionsinhibitoren (z. B. Hydrazin)

10 Ergebnisse Abwärmequellen Drei Kategorien: Abwärme aus Rauchgasen Wärmelieferung folgt direkt dem Prozessoutput Abwärme aus Strukturkühlung Relativ konstante Lieferung Abwärme aus batch-prozessen Stark instationär

11 1 8 Jänner Februar März Aktuelle Abwärmelieferung im Verhältnis zur Maximallieferung [%] Zeitreihe [5 min] 1 8 Batch 1_Dez Batch 1_Jan Batch 1_Feb Batch 2_Dez Batch 2_Jan Batch 2_Feb Verhältnis zur [%] 1 Jänner Februar März Zeitreihe [5 min] Aktuelle Dampflieferung im Verhältnis zur Maximallieferung [%] Aktuelle Dampflieferung im Maximallieferung Zeitreihe [ 5 min]

12 Gradienten der Abwärme Leistun ngsgradiente en [MW/min] 15 Stoßofen Hubbalkenofen Batch-Prozess Zeitreihe [min] Bandbreite Batch-Prozess Bandbreite Stoßofen Bandbreite Strukturkühlung Hubbalkenofen Abbildung 3: Leistungsgradienten unterschiedlicher Abwärmequellen Literaturquelle: [Interne Daten]

13 Beeinflussungsmöglichkeiten industrieller Abwärme Passive Beeinflussungsmöglichkeiten li it durch die Produktionsmenge durch Parallelschaltung mehrerer gleichartiger Abwärmequellen durch Komponentenschutz in Produktionsanlagen Aktive Beeinflussungsmöglichkeiten durch Veränderung des Rauchgasstroms Wärmeauskopplung aus Kühlprozessen Verwendung des Netzes als Speicher Einsatz eines Speichers Parallelschaltung eines Heizkessels

14 Effekt der Produktionsmenge 1 Aktuelle Damp pflieferung im Verhältnis zur Max ximallieferung [%] Februar 28 November Zeitreihe [5 min] Abbildung 4: Dauerlinie der Dampflieferung eines Stoßofens ausgewählter Monate in der Stahlindustrie bei unterschiedlicher Produktionsauslastung Literaturquelle: [Interne Daten]

15 Effekt eines Speichers (Sattdampf) 1 Input Output Dampflie eferung im Ve erhältnis zur Maximalfrach ht [%] Zeitreihe [min] Abbildung 5: Dauerlinien des Inputs und des Outputs eines Sattdampfspeichers Literaturquelle: [Interne Daten]

16 Technologie der Abwärmenutzung Dokumentation der Technologie und Sammlung spezifischer Kosten von typischen Komponenten in der Abwärmenutzung: Wärmetauscher Wärmespeicher

17 Relevante Parameter industrieller Abwärme Physikalische Parameter Vor- Rücklauftemperatur r Spreizung Druck Durchflussmenge Energetische und betriebliche Kennzahlen Leistung Konstanzfaktor Gradienten Regelbarkeit

18 Konstanzfaktor (KF): ältnis zur %] ng im Verhä alleistung [% uelle Leistun Maxima Akt 1 Mittlere Leistung: P_mittel Nutzbare Leistung: P*(t) Leistungs-Dauerline: P(t) KF = P P * (t)dt mittel dt mit * P(t) für P(t) < Pmittel P (t) = P mittel für P(t) P mittel Abbildung 6: Zeitreihe Dauerlinie und mittlere Leistung einer Wärmequelle

19 Regelgrad P max P Bsp.: RG1 = 1, für P' = P max RG1 RG2 Bsp.: RG2 = -1, Bandb breite der Wärme elieferung RG1 = RG2 = P P P P max max min P P P P min max min mit: P' nach Reglereingriff g mögliche Leistung für P' = P min P min Abbildung 7: Schematische Darstellung der Regelgrade

20 Integration von Abwärme in Fernwärmenetze Problembereich der Übereinstimmung des momentanen Fernwärmebedarfs und der momentanen Abwärmelieferung. Problembereich der unterschiedlichen Gradienten von Fernwärmebedarf und Abwärmelieferung.

21 RG1 = 1 RG2 = -1 1 Aktuelle Leistung im Verhältnis zur Maximalleist tung [%] Wärmebedarf im Netz P_mittel Zeitreihe Abbildung 8: Spezifische Dauerlinie der Leistung und Wärmebedarf eines Wärmeverteilnetzes Literaturquelle: [Interne Daten]

22 RG1 = RG2 = ΔQ Zusatz = Q P > P Netz mittel Netz Abwärme Q mittel Abwärme 1 Aktuelle Leis tung im Ver rhältnis zur Maxim malleistung [%] Wärmebedarf, der durch andere Wärmequellen gedeckt werden muss Zeitreihe Abwärmelieferung Abbildung 9: Vollständige Integration einer instationären, nicht regelbaren Abwärmequelle in ein Wärmenetz. Literaturquelle: [Interne Daten]

23 RG1 = > RG2 ΔQ Zusatz = Q Netz ( 2 KF KF ) Netz Abwärme ΔQ = ΔQ P Netz mittel = PAbwärme mittel kühl ΔQ Zusatz rhältnis zur g [%] stung im Ve imalleistung Aktuelle Leis Max Wärmebedarf, der durch andere Wärmequellen gedeckt werden muss Abwärme, die nicht in das Netz integrierbar ist (Notwendigkeit zur Kühlung) Abwärme, die in das Netz integrierbar i ist Zeitreihe Abbildung 1: Integration einer instationären Abwärmequelle in ein Wärmenetz auf Basis gleicher mittlerer Leistungen. Literaturquelle: [Interne Daten]

24 Zusammenfassung Industrielle e Abwärme lässt sich in verschiedenen ede e Gruppen kategorisieren. Eigenschaften von Abwärme und Fernwärme werden mit Kennzahlen beschrieben, die eine technologische und wirtschaftliche Bewertung ermöglichen. Eine nennenswerte Integration von Abwärme in Fernwärmenetze bedingt eine zusätzliche Wärmebereitstellung im Netz bzw. Kühlkapazitäten. Es gibt eine bedingte Beeinflussungsmöglichkeit von Abwärme Es gibt eine bedingte Beeinflussungsmöglichkeit von Abwärme. Schon bei der Auslegung der Industrieanlage kann auf zukünftige Abwärmeauskopplung Rücksicht genommen werden.

25 Weiter Informationen DI (FH) Michael Wanek FH JOANNEUM GmbH FH JOANNEUM GmbH Studiengang Werk-VI-Strasse 46 A-865 Kapfenberg Tel.: ( ) mail to.: