Von der Prozessoptimierung zur Abwärmenutzung

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1 Therm-Process-Consulting Ingenieurbüro für Prozessanalyse, Anlagenoptimierung und Entwicklung in der Thermoprozesstechnik, Glasverarbeitung und Mikrowellentechnik Abwärmenutzung / Technologien / Energie- und Prozessoptimierung an thermischen Anlagen oder: Von der Prozessoptimierung zur Abwärmenutzung Therm-Process-Consulting, Dr.-Ing. Jens Strack Telefon: / Ortsstraße 35, Mobil: 0173 / Bobritzsch, strack@thermpro.de 1

2 1. Motivation 2. Allgemeine Energieeffizienzbetrachtung an Thermoprozessanlagen 3. Prozessanalyse zur Energieoptimierung 4. Abwärmenutzung 5. Zusammenfassung 2

3 - Motivation Energieoptimierung Betriebskosten einer Thermo-Prozessanlage sind zu einem hohen Anteil Energiekosten Senkt Betriebskosten Puffert Energiepreiserhöhungen ab. Sichert/stärkt die Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens. Birgt hohes wirtschaftliches Potential (bis hin zu Produktionsausweitung durch Möglichkeit einer besseren Preisgestaltung). Führt zu CO2-Einsparung und damit zur Imageverbesserung. Im Rahmen von Energieeffizienz motivierten Prozessoptimierungen steigt meist auch die Qualität und Sicherheit des Prozesses. Durch kleine Eingriffe lassen sich häufig schon messbare Ergebnisse erzielen. Belohnung 3 Therm-Process-Consulting, Dr.-Ing Jens Strack,

4 Energieeffizienzüberlegungen Eine Thermoprozessanlage verbraucht im Lauf ihrer Betriebszeit oft ein Vielfaches ihres Anschaffungspreises. Anlagenhersteller verkaufen meist Anlagen des eigenen Standes der Technik. Eigenes Nachdenken ist gefordert sowohl für die Optimierung vorhandener Prozesse aber auch für den Neukauf von Anlagen. 4

5 Beispiel: Einscheibensicherheitsglas ESG- Prozess Temperatur Glaswanne Integration Beschichtung Heat- Soak Combination Bilanzgrenze Zeit Gesamt-Prozess Teilprozess-Prozess 5

6 Analysierte Energie und Massenströme: Glasmasse, Heizenergie/Gasvolumen, Abgasströme, Kühlluftmasse, Lüfterleistung, Ofenverluste, Größte Ansatzpunkte für Optimierung: - Ausfahrverluste - Kühlung - Abgasverluste 6

7 Von der Prozessoptimierung zur Abwärmenutzung Wandverluste Falschluft Brennstoff Sauerstoff Stickstoff Luftüberschuss k Transport Wärmgut Prozessmedien Abwärmenutzung aus ausgehenden Energieströmen 7

8 Wege zur Energieeffizienz Reduzierung des Energieeintrags Maßnahmen zur Prozessgestaltung prozessinterne Abwärmenutzung Nutzung der Verluste Maßnahmen zur Abwärmenutzung 8

9 vorgelagert Wegfall von Prozessstufen Ersatz energieintensiver Prozesse prozesseingreifend Verringerung der Ausfahrverluste Verringerung der Temperatur Verringerung der Abgasmenge Reduzierung von Falschluft Reduzierung der Wandverluste Erhöhung des Durchsatzes prozessbegleitend Veminderung des Ausschusses Optimierung der Verfahrensparameter Transparente Prozessgestaltung für _ Anlagenfahrer (Prozessführung) Optimierung von Steuerung und :::Regelung (Verringerung der Energiekosten) nachgelagert (Abwärmenutzung) 9

10 Beispiel Keramikfertigung: Traditionelle Verfahrensweise Formen Trocknen Glühbrand Glasieren Glattbrand Dekorieren Dekorbrand Voraussetzung: Einbrandverfahren Formen Trocknen Glühbrand entfällt Glasieren Glattbrand Dekorieren Dekorbrand wasserarmes Glasieren (Sprühen statt Tauchen) Spezifischer Energieeinsatz Glühbrand: 2,5 MJ/kg Einsparung komplette Prozessschrittenergie Glattbrand: 6,2 MJ/kg 6,2 MJ/kg Dekorbrand: 5,5 MJ/kg 5,5 MJ/kg Gesamt: 14,2 MJ/kg 11,7 MJ/kg Δq = 18 % Aber: Neue Verfahren müssen entwickelt/getestet werden. evtl. Forschungsbedarf 10

11 Energieeffizienz- Von der und Prozessoptimierung Prozessanalyse zur zur Bestimmung Abwärmenutzung und Bewertung von Optimierungspotentialen bei industriellen Prozessen z.b. durch Kleben statt Schweißen, Luft-Trocknen statt Heiß-Trocknen Selektives Erwärmen statt Durcherhitzen Membranfilterung statt Destillation 11

12 Energieeffizienz- Von der und Prozessoptimierung Prozessanalyse zur zur Bestimmung Abwärmenutzung und Bewertung von Optimierungspotentialen bei industriellen Prozessen Reduzierung der Masse des Produkts z.b. leichtere, festere Werkstoffe (dünnes Edelstahl- statt dickem Eisenblech) der Transportmittel CFK-Gestelle, Keramik, leichtere Ausführung der Hilfsstoffe (Schutzgas, etc.) Teilerwärmung Selektive Erwärmung der Zonen, die thermisch behandelt werden sollen z.b. durch alternative Beheizungsverfahren

13 Energieeffizienz- Von der und Prozessoptimierung Prozessanalyse zur zur Bestimmung Abwärmenutzung und Bewertung von Optimierungspotentialen bei industriellen Prozessen Reduzierung der Temperatur - Prüfen: Muss der Prozess so heiß sein? - verbesserte Temperaturmessung - andere Rohstoffe (z.b. Sinterhilfsmittel) - Verbesserung der Wärmeübertragung z.b. Konvektion, Mikrowellen, Induktion Vorwärmen des Wärmgutes und der Transportmittel z.b. durch Abwärme oder günstigere Energie Vorwärmung um 60 C bei Zieltemperatur von 620 C führt zu einer Energieeinsparung von 10 % 13

14 Energieeffizienz- Von der und Prozessoptimierung Prozessanalyse zur zur Bestimmung Abwärmenutzung und Bewertung von Optimierungspotentialen bei industriellen Prozessen Reduzierung von Ausschuss z.b. durch: Qualitätskontrollen vor dem Ofen/ dem energetischen Prozess Durch frühes Erkennen von Instabilitäten des Prozesses durch Messung der Gut- statt der Ofentemperatur Messung von prozessspezifischen und Umwelt- Parametern durch Prozessführungsmodell Verkürzen von Anfahrprozessen Beispiel: Reduzierung Ausschuss von a)_10 % auf b)_5 %: Geliefert werden sollen 100 Einheiten: a) Notwendig 111 Einheiten b) Notwendig 106 Einheiten Steigerung der Ausbeute um 5_% entspricht Einsparung von ~4,5 % Energie (+ Material, Lohn, etc.) Ausschussreduzierung ist Energie-Sparen

15 Leichte Ofendämmung bei Chargenbetrieb mit Abkühlung k Anstreben: Dicke Wände Gute Wärmedämmung Wenn möglich Fasermaterial 50 % der Energie Temperaturprofil eines Heatsoakofens Wandverluste fallen energetisch vor allem dann ins Gewicht, wenn der Prozess sehr lang ist. 15

16 Schließen von Öffnungen (Vermeidung von Falschluft, Reduzierung Wärmestrahlung) Falschluft aus Öffnung: Beaufort 1 m/s =1 kaum merklich, Rauch treibt leicht ab, Beaufort 2 m/s=2,5 Blätter rascheln, Wind im Gesicht spürbar Strahlung mm Fläche Boltzmann Emission T(Ofen) T (Umg) Wärmeverlust Betriebsstunden Preis Breite 100 dm² W/m²K4 schw.stra C C kw h /kwh Höhe ,67E , , ,26 Fläche Geschw. Volumen Dichte (1000 C) cp (1000 C) Temp aus Temp Umg Wärmeverlust Betriebsstunden Preis m² m/s m³/s kg/m³ kj/m³k C C kw h /kwh 0,01 1 0,01 0,274 1, , , ,65 0,01 2,5 0,025 0,274 1, , , ,12 16

17 Wege zur Energieeffizienz Reduzierung des Energieeintrags Maßnahmen zur Prozessgestaltung prozessinterne Abwärmenutzung Nutzung der Verluste Maßnahmen zur Abwärmenutzung 17

18 Wärmerückgewinnung aus dem Abgas dem Wärmgut / Transportsystem Medien den Wandverlusten Nutzung prozessintern für: Vorwärmung der Verbrennungsluft Vorwärmung des Wärmgutes (Aufheizen des Ofens) 18

19 durch Wärmerückgewinnung aus Abgasen Ausfahrgut durch Abwärme aus anderen Prozessen regenerative Energien günstigere Energieträger Kühlunterbrechung Realisierung durch: Wärmeübertrager (bei flüssigen und gasförmigen Medien) Aufheizräumen Aufheizöfen Anblasen Wärmekonservierung durch Speicherung Prozesskenntnis 19

20 Beispiel: Prozesstemperatur 620 C (T E -T A ) = 600 C Mit Gutvorwärmung auf 80 C (T E -T A ) = 540 C Energiebedarf sinkt auf 90 % 10 % Energieeinsparung bei Wärmgut + kürzere Verweildauer + geringere Abgasverluste + geringere Wandverluste 20

21 Erdgaseinsparung in % Senkung der Abgastemperatur in K Ofenraumtemperatur 1000 C Ofenraumtemperatur 1100 C Ofenraumtemperatur 1200 C Anheben der Anfangstemperatur von Verbrennungsluft und Brennstoff mittels Abwärme aus dem Abgas Durch Verbrennungsluftvorwärmung ist ein enormes Energiesparpotentials zu gewinnen. 21 Quelle:

22 externe Wärmetauscher Brenner intern - Regeneratorbrenner - Rekuperatorbrenner 22

23 Erdgaseinsparung in % Senkung der Abgastemperatur in K Ofenraumtemperatur 1000 C Ofenraumtemperatur 1100 C Ofenraumtemperatur 1200 C 1200 C C = 500 C Durch Verbrennungsluftvorwärmung ist Potential der Abwärmenutzung noch nicht ausgenutzt. Dämmung Verbrennungsluft Ofenraum Brenner Wärmetauscher Abgas Externe Abwärmenutzung Wärmegut (z.b. Keramik, Metall) Energieträger 23

24 Wege zur Energieeffizienz Reduzierung des Energieeintrags Maßnahmen zur Prozessgestaltung prozessinterne Abwärmenutzung Nutzung der Verluste Maßnahmen zur Abwärmenutzung 24

25 Haube mit Wärmetauscher Wandverluste Falschluft Kammersystem Wärmetauscher Prozessmedien Wärmetauscher 25

26 Verminderung des Auftretens von Abwärme Reintegration der Abwärme in den Prozess Betriebsinterne Verwendung der Abwärme auf einem möglichst hohen Temperaturniveau (Integration in andere Prozesse oder die Raumheizung/Warmwasserbereitung) Transformation in andere Nutzenergieformen (elektrische Energie, Klima-Kälte) Abgabe nicht intern nutzbarer Abwärme an Dritte (z.b. an benachbarte Unternehmen, zur Beheizung von Wohn- oder Geschäftsräumen, zur Wärmebedarfsdeckung von Sport- und Freizeitanlagen) Prozess intern Prozess extern 26

27 Einordnen des Abwärmepotentials nach: dem Temperaturniveau, der verfügbaren Energiemenge der zeitlichen Verfügbarkeit, (kontinuierlich oder schwankend, saisonal, Anzahl der Volllaststunden pro Jahr) dem Medium der Abwärme (z.b. Abgas, Kühlwasser), Verschmutzung des Abwärmemediums (Staub, Öl, giftige oder brennbare Substanzen, aggressive oder korrosive Bestandteile, Ruß, kondensierbare Dämpfe wie z.b. Teer oder Fett) Auch beschrieben in: 27

28 Einordnen des Wärmebedarfs nach: dem Temperaturniveau, der benötigten Energiemenge der zeitlichen Anforderung, (kontinuierlich oder schwankend, saisonal, Anzahl der Volllaststunden pro Jahr) Entwicklung Nutzungskonzept 28

29 Von der Prozessoptimierung zur Abwärmenutzung Eine Checkliste zu allen Punkten befindet sich in der Abwärmebroschüre (S.12). 29

30 Allgemeines Vorgehen Verminderung des Auftretens von Abwärme Reintegration der Abwärme in den Prozess Betriebsinterne Verwendung der Abwärme auf einem möglichst hohen Temperaturniveau (Integration in andere Prozesse oder die Raumheizung/Warmwasserbereitung) Prozess intern Prozess extern Transformation in andere Nutzenergieformen (elektrische Energie, Klima-Kälte) Abgabe nicht intern nutzbarer Abwärme an Dritte (z.b. an benachbarte Unternehmen, zur Beheizung von Wohn- oder Geschäftsräumen, zur Wärmebedarfsdeckung von Sport- und Freizeitanlagen) 30

31 Nutzung der Abwärme für Prozesse z.b. für Trocknen Reinigungsbäder Vorwärmen Wärmetauscher Transportmedium Wärmetauscher Prozessmedium Prozess 31

32 Nutzung der Abwärme für die Gebäudebeheizung Nutzung mit Speichern: Pufferspeicher + Interessante Möglichkeit: Langzeit-Großwärmespeicher Bsp. Bäckerei: Erzielte Energieeinsparung 22 %, Amortisationszeit < 4 Jahre 32

33 Speichermöglichkeiten: Pufferspeicher Kieswasserspeicher Schotterspeicher Erdsonden-Wärmespeicher Latentwärmespeicher Sorptionsspeicher 33

34 Wenn Temperatur der Abwärme zu gering: Einsatz einer Wärmepumpe Erhöhen der Abwärme auf ein höheres Temperaturniveau. Wärmequelle in einem Kreislaufprozess betrieben durch Abwärme Für Gebäudeheizung Temperaturnutzung der Wärme von unter T soll - abgekühlten Speichern Nutzung von kalter diffuser Wärme. (z.b. Lasten von Fräsmaschinen 34

35 Sorptionswärmepumpen: Herstellen von Kälte Umwandeln in Strom 35

36 ORC-Prozess 36

37 Zusammenfassung Therm-Process-Consulting, Dr.-Ing. Jens Strack Telefon: / Ortsstraße 35, Mobil: 0173 / Bobritzsch, jensstrack@hotmail.com 37

38 Prozessanalyse Prozessanalyse betrachtet den Prozess in seiner Gesamtheit. Aus der Gesamtbetrachtung können Maßnahmen für energieeffiziente Prozessgestaltung abgeleitet werden. Energie und Kostenersparnis. Nutzen durch höhere Prozesskenntnis und verbesserte Anlageneinstellung. Optimierungsvorschläge mit Nutzenabschätzung als Entscheidungsgrundlage für weitere Maßnahmen (z.b. zusätzliche Wärmedämmung spart x kwh) Informationsgrundlage für weitere Entscheidungen wie z.b. der Fortführung welcher Optimierungsmaßnahme. 38

39 Ergebnis Prozessanalyse Keine Maßnahmen notwendig Sofort umsetzbares Optimierungspotential Mittelfristig umsetzbares Optimierungspotential Langfristig umsetzbares Optimierungspotential z.b. z.b. z.b. Verbesserung der Einstellungen Veränderung der Betriebsweise Leichte konstruktive Anpassungen Eingriffe in Verfahrenstechnik des Prozesses Größere konstruktive Anpassungen 39

40 Abwärmenutzung Einsparmöglichkeiten von Energie häufig vorhanden. Strukturiertes Vorgehen ist notwendig. Verbrennungsluft- und Gut-Vorwärmung haben größte Potentiale. Wärmepumpen erlauben Nutzung auch diffuser Abwärme. Betrachtung der Speichermöglichkeiten sollte erfolgen Abwärmetechnologien sind wirtschaftlich und bieten Renditen im zweistelligen Bereich. 40

41 Danke für Ihr Interesse und ihre Aufmerksamkeit Therm-Process-Consulting, Dr.-Ing. Jens Strack Mobil: 0173 / Ortsstraße 35, Web: Bobritzsch, strack@thermpro.de Quellen: Technologien der Abwärmenutzung, SAENA GmbH, Juni 2012 Technologierecherge Abwärmenutzung, DBI GTI GmbH, 2011 LV Prozessgestaltung, H. Krause, TU Bergakademie Freiberg 41