Energiebedarf und Kosten senken in der Industrie

Transkript

1 Energiebedarf und Kosten senken in der Industrie Prof. Dr. Beat Wellig Hochschule Luzern Technik & Architektur Leiter Kompetenzzentrum (CC) Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik Einführung in die Pinch-Analyse; adaptiert von der Präsentation am Forum Energieeffizienz «Perspektivenwechsel», 28. August 2015, Interlaken

2 Um was geht es heute? Dank «Perspektivenwechsel» der Pinch-Analyse Energie und Kosten sparen in der Industrie

3 Zwei zentrale Herausforderungen Atom-Ausstieg umsetzen und CO 2 -Ziele erreichen. Anteil Erneuerbare Energien und Energieeffizienz markant steigern! Energiestrategie 2050

4 Energiebedarf der Schweizer Industrie Rund 20% des gesamten schweizerischen Energiebedarfs, mehr als die Hälfte davon ist «Prozesswärme»

5 Energieeffizienz in der Industrie: Drei Feststellungen Bundesamt für Energie BFE: Energieeinsparpotenzial von 20-40% bei vielen Industrieunternehmen Energieeffizienz-Massnahmen sind oft (wesentlich) kosteneffektiver als z.b. im Gebäudebereich Trotzdem: Wirtschaftliche Massnahmen werden teilweise nicht umgesetzt

6 Welche Fragen stellen sich bei der Energie- Optimierung von industriellen Prozessen? Wie effizient ist der betrachtete Prozess? Wie gross ist der minimale Energiebedarf? Wie gross ist das Wärmerückgewinnungspotenzial? Lohnt sich der Einsatz von Wärmepumpen, Blockheizkraftwerken usw.? Wo liegt das wirtschaftliche Optimum für die Investitions- und Betriebskosten? Wie kann dieses Optimum erreicht werden? Die Pinch-Analyse liefert die Antworten!

7 Was ist eine «Pinch-Analyse»? Eine andere Perspektive auf Produktions- und Infrastrukturanlagen Systemorientierte Methode zur Bestimmung des optimalen Energieeinsatzes und Anlagendesigns unter der Randbedingung von minimalen Kosten (Investition und Betrieb) «Energie-Optimierung mit System statt Trial-and-Error»

8 Prinzip der Pinch-Analyse: z.b. Milch-Pasteurisation Milch-Massenstrom Spez. Wärmekapazität m c p = 2 kg/s = 3.85 kj/(kg K) 15 C 75 C 75 C 5 C Heizung 462 kw Kühlung 539 kw Es werden ca kw Heiz- und Kühlleistung benötigt.

9 Milch-Pasteurisation T min = 60 K (ohne Wärmerückgewinnung, WRG) Betriebskosten Investitionskosten Temperatur [ C] Kühlung Heizung 539 kw 462 kw Jährliche Kosten [CHF/a] Wärmeleistung [kw] T min [K]

10 Milch-Pasteurisation T min = 40 K (mit WRG) 42 m 2 Betriebskosten Investitionskosten Temperatur [ C] Kühlung WRG Heizung 385 kw 308 kw 154 kw Jährliche Kosten [CHF/a] Wärmeleistung [kw] T min [K]

11 Milch-Pasteurisation T min = 20 K (mit WRG) 56 m 2 Betriebskosten Investitionskosten Temperatur [ C] Kühlung 231 kw WRG 308 kw Heizung 154 kw Jährliche Kosten [CHF/a] Wärmeleistung [kw] T min [K]

12 Milch-Pasteurisation T min = 10 K (mit WRG) Betriebskosten 96 m 2 Investitionskosten Temperatur [ C] Kühlung 154 kw WRG 386 kw Heizung 77 kw Jährliche Kosten [CHF/a] Gesamtkosten minimal Wärmeleistung [kw] T min [K]

13 Bei mehr als nur zwei Strömen Verbundkurven (Composite Curves, CC): T [ C] Pinch = «Einschnürung» Hot CC: Wärmeangebot (Kühlbedarf) T min Cold CC: Wärmebedarf so wählen, dass Gesamtkosten minimal sind: T min : Invest.kosten Betriebskosten T min : Invest.kosten Betriebskosten Kühlleistung (cold utility) Wärmerückgewinnung Heizleistung (hot utility) H [kw]

14 Einige reale «Composite Curves»

15 Perspektivenwechsel dank Pinch-Analyse z.b. Unternehmen aus Lebensmittelindustrie: Betriebsfall «Vollproduktion, Übergangszeit», mit Wärmepumpe Kühlung WRG Heizung Kondensator Verdampfer

16 Perspektivenwechsel dank Pinch-Analyse z.b. Unternehmen aus Lebensmittelindustrie: Betriebsfall «Reduzierte Produktion, Übergangszeit», mit Wärmepumpe Kühlung WRG Kondensator Verdampfer

17 Perspektivenwechsel dank Pinch-Analyse z.b. Unternehmen aus Lebensmittelindustrie: Betriebsfall «Reduzierte Produktion, Winter», mit Wärmepumpe WRG Heizung Kondensator Verdampfer

18 Perspektivenwechsel dank Pinch-Analyse z.b. Unternehmen aus Lebensmittelindustrie: Wärmeübertrager-Netzwerk für optimale WRG und Energieversorgung

19 Was ist der Nutzen von Pinch-Analysen? - Ganzheitliche Optimierung von - Energieeffizienz - Anlagendesign, Energieversorgung - Investitions- und Betriebskosten - Markante Senkung des Energiebedarfs (bis zu 40%) und der CO 2 -Emissionen - Strategische Planung der Massnahmen- Umsetzung («Man verbaut sich nichts.»)

20 Wann ist eine Pinch-Analyse sinnvoll? - Produktionsanlagen mit thermischen Verfahren (kontinuierlich oder Batch) - Planung von neuen Anlagen («first time right») und Retrofit - Verbindung zu Gebäudetechnik, Vernetzung (Werke, Areale), Abwärmenutzung usw.

21 Was ist das Resultat einer Pinch-Analyse? - Angaben zum absoluten Energieeinsparpotenzial - Optimierte Wärmerückgewinnung und Energieversorgung (z.b. Dampf, Kälte, Wärmepumpen, BHKW, Solarenergie) - Massnahmenkatalog mit Kosten/Nutzen- Betrachtung (Payback pro Massnahme)

22 Was sind weitere Benefits einer Pinch-Analyse? - Die Pinch-Analyse hilft Fehlinvestitionen zu vermeiden - Oft auch Reduktion der Kosten im Strom- und Wasserbereich - Fallweise Erhöhung der Produktionskapazität möglich

23 Wie ist der Ablauf einer Pinch-Analyse? % % % 1 Datenaufnahme, Analyse Ist-Zustand Aufwand, Dauer 3-6 Monate 2 Durchführung Pinch-Analyse 3 Massnahmenliste mit Kosten/Nutzen, Priorisierung

24 Das «Nicht-Technische» ist genau so wichtig! - Angst vor Eingriff in bewährte Prozesse - Flexibilität wichtiger als Effizienz (keine neuen Abhängigkeiten schaffen) - Interne Organisation, Business Case, Investitionsentscheide Eine enge und vertrauensvolle Zusammenarbeit aller Involvierten ist unerlässlich!

25 PI/PinCH-Stützpunkt des BFE an der Hochschule Luzern - PinCH-Software - Unterstützung von Anwendern - Beratung von Unternehmen - Durchführung von Pinch-Analysen - Coaching, Schulungen & Firmenkurse - Weiterentwicklung von PinCH

26 Success Stories aus der Schweizer Industrie Alcan Packaging Rorschach AG Amcor Flexibles Burgdorf GmbH Amrein Futtermühle AG Avery Dennison Europe GmbH B.Brown Medical AG Bell AG Blattmann Schweiz AG Cellpack AG Chocolat Frey AG DGS Druckguss Systeme AG e. Luterbach AG Emmi AG EMS-Chemie AG Erbo Spraytec AG Estavayer Lait SA Eternit (Schweiz) AG F. Hunziker + Co AG Flumroc AG Forbo-Giubiasco SA

27 Success Stories aus der Schweizer Industrie Frutarom Switzerland Ltd. Galvaswiss AG Givaudan Schweiz SA Grand Resort Bad Ragaz AG Haco AG Heineken Switzerland AG Hochdorf-Nutritec AG Hero AG Hefe Schweiz AG Ilford Imaging Switzerland GmbH Impreglon Coatings AG IVI Mittelhäusern Kentaur GmbH Klinik St. Anna AG Kronospan Schweiz AG KVA Turgi+Niederurnen Landi Sursee, Genossenschaft Lati SA Lindt & Sprüngli (Schweiz) AG

28 Success Stories aus der Schweizer Industrie Lonza AG Mapei Suisse SA Metal Paint AG Metsä Tissue GmbH Model Verpackungen AG Monosuisse AG Nestlé S.A. Pavatex SA Peka System AG Perlen Papier AG Pilatus Flugzeugwerke AG Ramseier AG Rapelli SA Ricola AG Rivella AG Rheinmetall Air Defence AG Saline de Bex SA Schweizer Getränke AG Sefar AG

29 Success Stories aus der Schweizer Industrie Serge Ferrari AG Sika AG SIG Combibloc GmbH Stahl Gerlafingen AG STIHL Kettenwerk GmbH SwissFlock AG TE Connectivity Solutions GmbH TIMCAL SA Trocknungsanlage Zell UCB Farchim SA Papierfabrik Utzenstorf AG voestalpine Schweiz GmbH vonroll casting ag V-ZUG AG Zeochem AG Ziegler Papier AG Zweifel Pomy-Chips AG

30 Praxisbeispiel Ziegler Papier AG - Einsparung Wärmeenergie: 19 GWh/a (16%) - Kosteneinsparungen: 1.1 Mio. CHF/a - Payback: 1.7 Jahre (prior. Massnahmen) Pinch-Analyse durchgeführt von Helbling Beratung + Bauplanung AG, Zürich

31 Praxisbeispiel Nestlé SA - Einsparung Wärmeenergie: 12.5 GWh/a (40%) - Kosteneinsparungen: 1.15 Mio. CHF/a - Payback: 2.6 Jahre Pinch-Analyse durchgeführt von Weisskopf Partner GmbH, Zürich

32 Pinch-Offensive BFE Das BFE übernimmt 35 60% der externen Ingenieurkosten.

33 Pinch-Analyse bei der EnAW Die Fachleute der EnAW geben Ihnen gerne Auskunft!

34 Drei Punkte als Fazit: Die Pinch-Analyse ist der Schlüssel zu mehr Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit Mein persönlicher Wunsch: Die Pinch-Analyse wird zu einem Standard-Werkzeug Nutzen Sie die Fördermöglichkeiten des BFE und die Angebote der EnAW, HSLU usw.

35 Pinch-Analysen ermöglichen eine neue Perspektive auf industrielle Prozesse Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

36 Dank Finanzielle Unterstützung: - Bundesamt für Energie BFE - Energie-Agentur der Wirtschaft EnAW - Hochschule Luzern HSLU Expertenteam: - Florian Brunner, Brunner Energieberatung GmbH - Dr. Pierre Krummenacher, Planair SA - Raymond Morand, Helbling Beratung + Bauplanung AG

37 Beat Wellig - Professor und Dozent für Thermodynamik, Verfahrens- und Umwelttechnik, Hochschule Luzern - Leiter Kompetenzzentrum (CC) Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik - Forschungsschwerpunkte: - Prozessintegration und Pinch-Analysen - Thermische Trennverfahren und Umwelttechnik - Wärmepumpen- und Kältesysteme Kontakt: Hochschule Luzern - Technik & Architektur CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik Prof. Dr. Beat Wellig Technikumstrasse Horw T M beat.wellig@hslu.ch