EnAW - Weiterbildung 2015 Wärme / Kälte - Produktion und Verteilung

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1 EnAW - Weiterbildung 2015 Wärme / Kälte - Produktion und Verteilung Philippe Hennemann, Dr. Eicher+Pauli AG Oktober/November 2015

2 Agenda 1. RAHMENBEDINGUNGEN BUND ENERGIESTRATEGIE TECHNIK WÄRME-, KÄLTEPROZESSSE KOMBINIEREN. 3. VERTEILTECHNIK 4. PROZESSANALYSE 5. VORGEHEN IM INDUSTRIEBETRIEB 6. BEISPIELE VON ANLAGEN ALT, NEU ABWÄRME AUS KÄLTEANLAGEN ANSTELLE FOSSIL TEMPERATURABSENKUNG DADURCH ERNEUERBARE WÄRMENUTZUNG MÖGLICH FABRIKABWASSER ALS WÄRMEQUELLE FÜR WÄRME, KÄLTENUTZUNG EXTERNE WÄRMEQUELLEN GRUNDWASSER, SEE, FLUSS 2

3 1. Elektrizitätsverbrauch nach Verwendungszwecken 2013 Klima, Lüftung, Antriebe, Prozesse verursachen 43.7% der CH Elektrizitätsverbrauchs. Ein Teil davon wird für die Kälteerzeugung genutzt. Dabei entsteht viel Abwärme. 3

4 1. Brenn- und Treibstoffverbrauch 2013 nach Verwendungszwecken Raumwärme, Warmwasser und Prozesswärme machen 60% des Brenn- und Treibstoffverbrauchs und damit auch der CO2 Emissionen aus. Abwärmenutzung aus Kälte kann einen wichtigen und vielfach wirtschaftlichen Beitrag zur Reduktion liefern 4

5 1. Energiestrategie 2050 Die Energiestrategie 2050 des Bundes sieht einen starken Ausbau der erneuerbaren Energien und eine wesentliche Steigerung der Energieeffizienz vor. Ebenso wichtig ist jedoch auch das Erreichen der Klimaziele der Schweiz, die sich verpflichtet hat bis 2020 den CO 2 Ausstoß um 20% gegenüber 1990 zu reduzieren. Abwärmenutzung aus Kälteprozessen und Kühlung mit erneuerbaren Energien liefern wesentliche Beiträge zur Zielerreichung 5

6 2. Technik Wärme-, Kälteprozesse kombinieren Welcher Bereich wird behandelt? Prozesse bis C Kälteanlagen Wärmepumpen Abwärmenutzungen Bivalente Nachheizung fossil Prozesse ab 90 C Biomassefeuerungen Fossile Wärmeerzeuger Heisswasser Dampf Thermooel Absorptionskältemaschinen 6

7 2. Technik Wärme-, Kälteprozesse kombinieren Funktionsprinzip Kompressionsanlagen 7

8 2. Technik Wärme-, Kälteprozesse kombinieren Grundlagen der KM, WP Technik: log p-h Diagramm 8

9 2. Technik Wärme-, Kälteprozesse kombinieren Grundlagen der KM / WP Technik: Der verlustfreie KM / WP Prozess 9

10 2. Technik Wärme-, Kälteprozesse kombinieren Wärme- Kälteprozess kombinieren nicht nur einer! Arial Text fett 20pt grau 10

11 2. Technik Wärme-, Kälteprozesse kombinieren Typische Anwendungsbereiche Wärme- und Kältebedarf vorhanden Bedarfsprofil Wärme und Kälte über das Jahr möglichst ähnlich Ganzjahreskälte Produktion, RZ etc. Ganzjahreswärme 11

12 2. Technik Wärme-, Kälteprozesse kombinieren Wirtschaftlichkeit 12

13 3. Verteiltechnik Autobahn Ringleitung 13

14 3. Verteiltechnik Stichleitungen 14

15 3. Verteiltechnik Stichleitungen Verteilung Grundriss 15

16 3. Verteiltechnik Stichleitungen Verteilung Ansicht 16

17 3. Verteiltechnik Autobahn Ringleitung 17

18 3. Verteiltechnik Autobahn Ringleitung 18

19 4. Prozessanalyse Temperaturniveau: Bezüger Verbraucher Was ist wirklich nötig? Von Heisswasser zu Warmwasser > 110 C C Energiemenge: Messungen, Prozesse verstehen Summenhäufigkeit darstellen Von der Kälte zur Abwärme -30 C C 19

20 4. Prozessanalyse Lastprogramm: Aufheizphasen Abkühlphasen Batch/Konti Prozesse Leistung: Nennleistungen entspricht nie der tatsächlichen Leistung. Anlagenauslegung anhand Prozesskenntnissen und Aufzeichnungen 20

21 4. Prozessanalyse Betriebszeiten / Produktionszeiten Betrieb mit einbeziehen Die obere Kurve (blau) zeigt wieviel Abwärme von der Produktionskälte auf 33 C zur Verfügung gestellt wird. Die untere Kurve (orange) zeigt wieviel davon über den Kältemittel-Verflüssiger an die Umgebung abgeben werden muss. Die Fläche zwischen den beiden Kurven beschreibt die Abwärmenutzung (via KM-Enthitzer und Wärmepumpe). 21

22 4. Prozessanalyse Weitere Analysemöglichkeit des Produktionsprozesses Pinch Analyse 22

23 5. Vorgehen im Industriebetrieb Ist Zustandsaufnahme Energieverbrauchsdatenanalyse Potenzial abschätzen Messkonzept falls Energie, Leistungen und Temperaturen nicht vorhanden Lastgänge pro Tag, Wochen festlegen Energiekonzept mit verschiedenen Varianten Jahreskosten vor Investitionskosten zur Entscheidungsfindung Einsparung CO2 aufzeigen 23

24 6. Beispiele von Anlagen Alt Neu 24

25 A. Abwärme aus Kälteanlagen anstelle fossilen Heizkesseln Beispiel Migros 25

26 Leistungsdaten Wärmebedarf: Raumwärme 4 GWh Prozesswärme 3 GWh Abwärme aus Kälteerzeugung: Kondensationsabwärme 35 C 4 MW Schmierölkühler 60 C 0.7 MW 26

27 Konzept Etappe 1: Direkte Nutzung der Schmierölabwärme Anpassen Ölkühlkreislauf Kältemaschinen Erstellen WRG 60 C Netz Anschliessen BWW Speicher Etappe 2: Nutzung der Kondensationsabwärme mittels WP Stilllegen Heisswasseranlage Installieren Wärmepumpe Anpassen Gebindewaschmaschinen Decken der Lastspitzen 27

28 Etappe 1, Schema BWW Speicher Heizung GMZ 2. Etappe 55 C 10 C M 60 C 60 C 60 C 60 C Notkühlung Rückkühlwerk 30 C KM 04 Ölkühler max. 270 kw 1'300 MWh KM 02 Ölkühler max. 143 kw 700 MWh KM 05 Ölkühler max. 298 kw 1'500 MWh weitere Ölkühler Direkte Nutzung der Schmierölabwärme: Anpassen Ölkühlkreislauf Kältemaschine Erstellen WRG 60 C Netz Anschliessen BWW Speicher 28

29 Etappe 2, Schema 60 C Heizungsspeicher Heizkondensator 1000 kw Verdampfer Nutzung der Kondensationsabwärme mittels WP Stilllegen Heisswasseranlage Installieren Wärmepumpe Anpassen Gebindewaschmaschinen Decken der Lastspitzen 30 C Verdampfer 750 kw 18 C 21 C 30 C Kondensator KM 04 Eiswasser 29

30 Jahresbilanz Abwärmenutzung Etappe Wärmeleistung [kw] Abwärme Ölkühlung Wärmepumpe Spitzenlastdeckung Total Wärmebedarf 30

31 B. Temperaturabsenkung dadurch Erneuerbare Wärmenutzung möglich Beispiel Mifa Technikzentrale 1 Technikzentrale 2 31

32 Konzept Temperaturabsenkung des Dampf-/Heisswassernetzes Neues Heisswasser und Warmwassernetz Abwärmenutzung aus Kälteprozessen für Warmwassernetz mit Wärmepumpe CO2 Einsparung 32

33 Schema 33

34 Neu Neue Verdichter in neuer Energiezentrale 34

35 C. Temperaturabsenkung durch erneuerbare Wärmenutzung Beispiel Coop VZ Bern 35

36 Konzept Stilllegung KVA Die bestehende KVA wird stillgelegt Die Wärmebereitstellung erfolgt über eine Wärmepumpe mit Abwärmenutzung aus Kälteerzeugung mit einer Leistung vom 500 kw Spitzendeckung aus gemeinsamer Thermoölzentrale mit Bäckerei 35

37 Jahresbilanz WP VZ WP RZ Kessel Wärmeleistung [kw] % '400 2'600 3'800 5'000 6'200 7'400 8'600 Stunden [h] 60% 36

38 D. Fabrikwasser als Wärmequelle für Abwärme, Kältenutzung 38

39 Konzept Substitution Dampf durch Niedertemperaturabwärme Dampf nur noch als Spitzenlast Nutzung der Abwärme aus dem Produktionskühlwasser mittels Wärmepumpe Nutzung des Fabrikwassers zur Rückkühlung der Kälteanlage Kombination von Kältemaschine und Wärmepumpe in einer Maschine 39

40 Schema 40

41 Fabrikwasserversorgung 41

42 Verdichter, Regelung 42

43 Speicher, Elektroversorgung (Trafo) 43

44 E. Externe Wärmequellen Grundwasser, See, Fluss 44

45 Kasinoareal Aarau Wärme und Kälte aus Grundwasser Auslegungsdaten Wärmelieferung Kältelieferung MWh/a MWh/a 43

46 Verwaltungszentrum Neumatt Burgdorf Heizung und Kühlung mit Grundwasser Wärme Wärmepumpen Leistung 450 kw, Leistungszahl Wärme > 6 Kälte Kälteleistung 650 kw, Leistungszahl Kälte > 25 44

47 Bürgerspital Solothurn Wärme- und Kälteerzeugung aus Aarewasser Wärmepumpe Wärmelieferung aus Abwärme Wärmelieferung aus Aarewasser Kältelieferung Direktnutzung Aarewasser Erneuerbare Kälte 4`000 MWh/a 4`500 MWh/a 3`300 MWh/a 1`500 MWh/a 45