Pinch-Analyse. - Methodik «Pinch» - Vorgehen in der Analyse - Aussagen und Resultate - Förderung und Kosten. Dreiländertagung

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1 Pinch-Analyse - Methodik «Pinch» - Vorgehen in der Analyse - Aussagen und Resultate - Förderung und Kosten Dreiländertagung 28. Oktober 2014, Urban Frei, Rytec AG Dreiländertagung

2 Pinch-Methode: ein weit entwickeltes Instrument der Prozessintegration Entwickelt von Prof. B. Linnhoff und seinem Team an der University of Manchester (UMIST) anfangs der 80-er Jahre Nutzung durch grosse internationale Konzerne der Welt Aufgreifen der Methodik durch die EPFL (ETH Lausanne), Entwicklung Computerprogramm auf PC-Basis Einsatz auch für mittelständische Unternehmen möglich! Zusammenarbeit mit der EPFL resp. HSLU sowie Inzwischen schweizweit > 20 Projekte in diversen Branchen wie Nahrungsmittel, Papier, Holzfasern, Baustoffe sowie spezielle Anwendungen wie Tunnellüftung, Zementfabrikation, Kraftwerkszentralen, etc. Pinch-Methode als Werkzeug Hauptinstrument für die Analyse und die Massnahmenevaluation Physikalisch begründete Zielwerte bezüglich des Energieeinsatzes unabhängig von der Vorgeschichte, von bestehenden Systemen und Auslegungen Bei bestehenden Anlagen Berechnung des energetischen Optimierungsgrades und als Arbeitsinstrument zur Auslegung der vorgeschlagenen Änderungsmassnahmen Ökonomische Betrachtung ist integriert Führt zu einem systematischen Vorgehen für die optimale Konzeption neuer und für die Verbesserung bestehender Produktionsanlagen der Verfahrens- und Energietechnik Dreiländertagung

3 Beispiel Pasteurisierung Milch / Früchtetrocknung 5 C 75 C Milchpasteurisierung 5 C erhitzen Q* 1 abkühlen Q* 2 Hallenluft 20 C 60 C Früchtetrocknung 30 C Luft zu Halle Quelle: Helbing Bauplanung und Beratung AG erhitzen abkühlen / Q* 3 trocknen Q* 4 Dreiländertagung

4 Inventar der Wärmeströme T Anfang [ C] T Ende [ C] Q* [kw] Medium 5 75 Q* 1 Milch 75 5 Q* 2 Milch Q* 3 Luft Q* 4 Luft Betrachtung aller aufzuheizenden Wärmeströme Betrachtung aller abzukühlenden Wärmeströme Temperatur [ C] 80 Abbilden aller aufzuheizenden und abzukühlenden Wärmeström Q* 2 Q* 4 Q* 1 Q* 3 Q* [kw] Quelle: Helbing Bauplanung und Beratung AG Dreiländertagung

5 Maximale Wärmerückgewinnung (MER) Technisch-wirtschaftliche Optimierung Temperatur [ C] Minimale Kühlleistung Maximale WRG Minimale Heizleistung Einsparungen von % möglich! delta T min Q* 2 Q* 4 Q* 1 Q* 3 Q* [kw] delta T min Dreiländertagung Quelle: Helbing Bauplanung und Beratung AG

6 Überlagerung der Verbundkurven Temperatur [ C] 80 Minimale Kühlleistung Maximale WRG Minimale Heizleistung Horizontales Verschieben der Verbundkurven bis T min erreicht wird T min Abstand zwischen den Verbundkurven durch minimale Temperaturdifferenz T min definiert Maximale Wärmerückgewinnung dargestellt durch übereinanderliegende Verbundkurven Q* [kw] Dreiländertagung Quelle: Helbing Bauplanung und Beratung AG

7 Pinch-Analyse als Instrument für zielgerichtete Optimierungen Abkühlkurve Pinch (=Einschnürung ) Kühlbedarf mit max. WRG WRG Aufheizkurve Heizbedarf mit max. WRG ohne WRG Quelle: Helbing Bauplanung und Beratung AG Systematische Vorgehensweise bei der Erhebung der Daten mit Hinterfragung der Prozessanforderungen Energy-Targeting: Bestimmung der Energiezielwerte / Festlegung des Sparpotentials Festlegen des Optimierungsgrades der gesamten Anlage Technik und Betriebswirtschaft parallel optimiert Absolute Aussagen im Gegensatz zu den üblichen, relativen Vergleichszahlen Einsparpotenzial von 10% bis 40% an thermischer Energie mit wirtschaftlichen Massnahmen Anwendbar auch für Wasseroptimierung

8 Bereich Energie / Nachhaltigkeit Grössere Pinch-Projekte zur Steigerung der Energieeffizienz Energieverbrauch total Perlen Papier AG 862'000 MWh/a 52'000 MWh/a Energie thermisch 380'000 MWh/a 38'000 MWh/a MWh/a Mögliche Einsparung total 60'000 MWh/a 8'000 MWh/a 18'000 MWh/a Mögliche Einsparung (total / thermisch) 7 % / 16 % 16 % / 21 % - / 29 % Kosteneinsparung 1.7 Mio CHF/a 0.65 Mio CHF/a 1.1 Mio CHF/a Investitionskosten 4.5 Mio CHF 1.2 Mio CHF 2.4 Mio CHF Payback 2.7 a (alle Mass.) z.t. Massn. mit a 1.8 a (Prio. Mass.) 2.3 a (Prio. Mass.) Quelle: BFE, Martin Stettler Dreiländertagung

9 Pinch-Analyse - Vorgehen Datenaufnahme: Prozessanforderungen definieren, Betriebsfälle und technische Limitierungen festlegen Energetische Modellierung: Abbildung der Prozesse als thermische Flüsse inkl. Massen und Energiebilanz Optimierung: Optimale Verknüpfung der thermischen Flüsse bezüglich Gesamtkosten Dauer einer Pinch-Analyse: 3-6 Monate % % Massnahmen: Übertragen der optimalen Lösung auf das bestehende System unter Berücksichtigung der technischen Umsetzbarkeit % Quelle: Helbing Bauplanung und Beratung AG Dreiländertagung

10 Pinch auf KVA was bringt es zusätzlich Systematische Betrachtungsweise Wärmeströme werden inventarisiert Übersicht der Wärmequellen / -senken Prozesse aus Energiesicht hinterfragt Potentiale für Wärmerückgewinnung Hinweise auf (interne) Fehlmessungen Gesamtzusammenhang wird anschaulich Wärmepreisberechnung wird solider Optimierungen einschätzen können Zusätzliche Nutzungsmöglichkeiten Dreiländertagung

11 Beispiel Pinch Analyse auf KVA Die untenstehende Grafik zeigt die Composite Curve (CC) der gesamten Anlage, d.h. alle aufzuheizenden und abzukühlenden Ströme (ohne LuKo) Die Rote Fläche repräsentiert den Wärmeübertrag von den Rauchgasen im Kessel auf das verdampfende Wasser. Die minimale Temperaturdifferenz beträgt ca. 10 C bei einer Pinch-Temperatur von ca. 47 C. Die CC zeigt, dass die Wärmerückgewinnung im System beinahe verdoppelt werden kann. Dreiländertagung

12 Potentialkarte: Wärmequellen und senken KVA Wärmequellen Wärmesenken Dreiländertagung

13 Energieflussdiagramm mit internen Wärmeflüssen KVA Dreiländertagung

14 Massenbilanz des Wasser-Dampfkreislaufs einer KVA Aufdecken von Unstimmigkeiten Plausibilisierung der Messwerte Hinweise auf unnötige Wasserverluste Input Output Input Output Input Output Kessel [t/h] [t/h] ND-Verteiler [t/h] [t/h] SPW-Behälter [t/h] [t/h] SPW Kessel HD-Verteiler - keine Messung, ausser Betrieb Hauptkond.Tank SPW Kessel MD-Verteiler - Hauptkond.Tank zu HD-Verteiler TG1 ND-Entnahme 2.80 Nullmessung von 4.4 t/h abgezogen; ev. Input aus HD- Nebenkond. Tank Verteiler (siehe oben) zu HD-Verteiler TG2 ND-Entnahme - Nebenkond. Tank DeNOx AHK Wasser Nachspeisung - keine Messung vorhanden DeNOx AHK ND-Dampf SPW-Beh LUVO - keine Messung, ausser Betrieb DeNOx 1 NDVW 1.70 HDK - keine Messung, ausser Betrieb Differenz DeNOx 2 NDVW 1.70 AHK Spw Behälter AHK Spw Behälter Kessel Input Output Fernwärme 0.40 Kessel HD-Verteiler [t/h] [t/h] Gebäudeheizung - keine Messung - Kessel Differenz Differenz Kessel MD-Verteiler - Ausser Betrieb? ND-Verteiler - keine Messung, ausser Betrieb Input Output Input Output LUKO 1 - keine Messung, ausser Betrieb Turbine 1 [t/h] [t/h] Nebenkond.Tank 1 [t/h] [t/h] LUKO 2 - keine Messung, ausser Betrieb HD-Verteiler Fernwärme 0.40 Turbine MD-Anzapfung - keine Messung, ausser Betrieb DeNOx 1 HDVW 1.52 Turbine ND-Entnahme 2.80 DeNOx 1 NDVW 1.70 Differenz 5.60 ND-Anzapfung 2.70 Div. Kondensatableiter keine Messung Bilanz: Wahrscheinlich Durchfluss zu MD/ND-Verteiler oder LUKO vorhanden LUKO Messung fehlerhaft: t/h SPW-Behälter Bilanz aus Input, keine Messung Differenz Differenz - Input Output MD-Verteiler [t/h] [t/h] Ausser Betrieb, keine Messung HD-Verteiler - Input Output Input Output TG1 MD-Anzapfung - Turbine 2 [t/h] [t/h] Nebenkond.Tank 2 [t/h] [t/h] ND-Verteiler 1 - HD-Verteiler Gebäudeheizung ND-Verteiler 2 - ND-Entnahme - ausser Betrieb DeNOx 2 HDVW 1.37 Hilfsdampfkessel - LUKO DeNOx 2 NDVW 1.70 Differenz - Differenz - Div. Kondensatableiter? keine Messung SPW-Behälter Bilanz aus Input, keine Messung Differenz - Dreiländertagung

15 Beispiel möglicher Massnahmen: WRG vor Kamin Wärmerückgewinnung aus den gereinigten Rauchgasen vor dem Kamin Drei mögliche Senken für die rückgewonnene Wärme Primärluftvorwärmung: P max : 0.5 MW T in : 15 C T out : 90 C Einsparung: 10 CHF/MWh Kondensatvorwärmung: P max : 2.8 MW T in : 50 C T out : 90 C Einsparung: 5 CHF/MWh Fernwärmelieferung: P max : 2.8 MW T in : 60 C T out : 100 C Einsparung: Winter: 10 CHF/MWh Sommer: 8 CHF/MWh Dreiländertagung

16 Wirtschaftlichkeit und Payback pro Massnahme Benötigte Investitionen (z.b. Spezialwärmetauscher, Nasskamin) Mehrertrag durch zusätzlich abgegebene Energie (z.b. zusätzliche Fernwärmeabgabe) Möglicher Nebennutzen (z.b. bessere Entkopplung Fernwärme / Stromprod.) Mögliche Betriebsrisiken (z.b. Saugzug eher im oberen Lastbereich) Dreiländertagung

17 Kosten / Nutzen von Pinch-Analysen Die Gesamtübersicht erlaubt die Massnahmenpriorisierung in gut abgestimmte und sich verstärkende Pakete Studienaufwand für Pinch-Analysen ist höher als für normale Analysen und bringt Zusatznutzen. In CH wird Pinch gefördert: 35% der Studienkosten durch BfE getragen Kosten einer detaillierten Pinch-Analyse auf KVA zwischen CHF für wenig komplexe Anlagen mit guter Datenlage CHF für komplexe Anlagen mit schwieriger Datenlage Rytec wird durch Pinch- Experten aus der Industrie unterstützt, dadurch erfrischende Inputs von aussen Dreiländertagung

18 Überblick Pinch-Projekte auf KVA (ohne Grobanalysen) Anlage Nutzen der Analyse und Potential Zusätzlich wirtschaftlich umsetzbares Potential KVA Turgi Bedeutend 6.7% des Energieinputs KVA Niederurnen Sehr hoch 7.4 % des Energieinputs KVA Buchs AG Bedeutend 7.3% des Energieinputs Dreiländertagung

19 Zusammengefasst Die Pinch-Methodik zeigt direkt & wirtschaftlich nutzbare Abwärme und deren wirtschaftliche Effekte Wärmequellen -> Temperaturen -> Leistung -> Gestehungskosten Wärmesenken -> Temperaturbereich -> Leistungsbedarf Payback der Massnahmen Dabei wird durch das eingesetzte Fachpersonal darauf geachtet, dass den Vorteilen auch die zu erwartenden Nachteile / Risiken gegenübergestellt werden Eine Pinch-Analyse ist eine spannende Reise ins Innere der eigenen Anlage mit vielen Zwischenprodukten und grossem Nutzen Dreiländertagung

20 Bei Interesse Bisherige Studien online verfügbar: Für Pinch in der Abfallbranche: Kontakt mit Rytec Prüfung des Potentials (summarisch, telefonisch) Rytec präsentiert das Vorgehen, möglicher Nutzen auf der Anlage Offerte an Anlagenbetreiber, Voranmeldung bei BfE (CH) Bestellung durch Anlage, Rytec meldet bei BfE an für Unterstützungsbeitrag (CH) Fragebogen für Ergänzung der Grunddaten, PLS-Ausdrucke etc. Startsitzung und Begehung Projektablauf (max. 6 Monate) Dreiländertagung

21 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Rytec AG Alte Bahnhofstraße 5 CH Münsingen urban.frei@rytec.com Dreiländertagung