Nutreon Einsatz von Hochtemperaturwärmepumpen in der Nahrungsmittelund Getränkeindustrie zum Upcycling von niederkalorischer Abwärme

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1 Nutreon Einsatz von Hochtemperaturwärmepumpen in der Nahrungsmittelund Getränkeindustrie zum Upcycling von niederkalorischer Abwärme 14. FEI-Kooperationsforum am 28. April 2015 Dr.-Ing. Jan-Christoph Stoephasius Nutreon, Mainz April 2015

2 Nutreon ist auf die Prozesskostenoptimierung in der Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie spezialisiert.

3 Wärme-Upcycling zielt auf die Substitution von Endenergie durch aufbereitete Abwärme auf höherwertigem Niveau Primärenergie Steinkohle, Rohöl Schematisches Energieflussdiagramm typischer N&G-Betriebe Unternehmensgrenze Chemische Aufbereitung Druckluft 40 / 80 C Nutzenergieeinsatz Sekundärenergie Heizöl, Erdgas Kraftwerk, Transportnetz Endenergie Strom, Erdgas Kälte Licht Mechanische Antriebe Dampf C diffus diffus 40..>100 C Prozessbedarf Erhitzen Abkühlen Bewegen Mischen/ Trennen... Beleuchtung Heizung/ Erwärmen Klimatisierung Heißwasser 20..>100 C diffus Abwärme Upcycling FEI Upcycling via HT-WP 2

4 Die Rentabilität vieler Projekte zur Abwärmenutzung scheitert an zu geringem Energiebedarf unterhalb 90 C Wärmeeinsparpotenzial durch Recycling Beispiel, anonymisiert Erdgasaufnahme / kw NT-Last Erdgas Recycling % Jahresstunden Beispiel: Getränkehersteller mit überwiegendem PET-Einweg-Anteil (hoher Anfall niederkalorischer Abwärme aus Druckluftkompressoren) Maximales Einsparpotenzial limitiert durch Leistung Wärmerückgewinnung und Verbrauch an Niedertemperaturwärme für Zuckerlösestation, CIP, Warmwasser, etc. FEI Upcycling via HT-WP 3

5 Mit Upcycling wird der Anwendungsbereich von Abwärme z.b. aus der Drucklufterzeugung deutlich gesteigert Wärmeeinsparpotenzial durch Upcycling Beispiel, anonymisiert Erdgasaufnahme / kw Erdgas Upcycling % Jahresstunden Maximales Einsparpotenzial wird nur noch durch Leistung Wärmerückgewinnung limitiert Deutlich höhere Betriebstundenzahl steigert oder ermöglicht erst rentablen Betrieb FEI Upcycling via HT-WP 4

6 Durch Einsatz einer Wärmepumpe kann die Temperatur der Abwärmeenergie wirtschaftlich um ca. 30 K erhöht werden Einsparpotenzial /GWh Wirtschaftliches Fenster für Upcycling mit Wärmepumpe Temperaturerhöhung T / K Berechnungsbeispiel COP Abwärme: 70 C Stromkosten: 150 /MWh Erdgaskosten: 50 /MWh Wirkungsgrad Heizkessel (bezogen auf Brennwert): 85% Abschreibung + Betriebskosten Wärmepumpe: /a Temperaturerhöhung T / K Gute Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe bei Temperaturerhöhung um bis zu 30 K (in Sonderfällen bis zu 40 K) Endtemperaturen von 120 C sind realisierbar Einspeisung in Niederdruckdampf- oder Druckheißwassernetz möglich FEI Upcycling via HT-WP 5

7 In diesem Beispiel wird die Leistung der bestehenden 8 bar- Druckluft-Wärmerückgewinnung deutlich gesteigert Wärmepumpe zur Einkopplung HD-Abwärme Beispiel Niederdruckkompressor 8 bar ca. 200 kw th. 80 C 70 C Puffer / Hydraulische Weiche 80 C Prozess Strom Wärmepumpe COP = 4,4 160 kw el kw th. Rücklauf Hochdruckkompressor 35 bar ca. 700 kw th. 40 C 35 C FEI Upcycling via HT-WP 6

8 Die Wärmepumpe ermöglicht die Einkopplung der gesamten BHKW-Abwärme in das werkseigene Dampfnetz Beispiel: Nutzung der Motorabwärme eines BHKW s Projektbeispiel Abgas >500 C 120 C Dampferzeuger ca.120 C Direktdampferzeugung in der Wärmepumpe Dampf aus Abgaswärmetauscher wird unmittelbar in das Dampfnetz eingekoppelt BHKW Motor 120 C ~80 C 85 C 75 C Brennwerttechnik Wärmepumpe integr. Dampferzeuger ca. 120 C 85 C Restwärme Abgas wird über Heißwasserwärmetauscher in das Heißwassernetz eingespeist (Brennwerttechnik) Durch Upgrading der Motorabwärme des BHKWs über eine Wärmepumpe kann auch diese Energie dem Dampfnetz zugeführt werden Strom Prozessverbrauch Strom FEI Upcycling via HT-WP 7

9 Zusammenfassung und Ausblick Wirtschaftliche Bedeutung für das Upcycling niederkalorischer Abwärme: Kompressoren, Verdichter, BHKW,... Gängige Ansätze wie z.b. die unmittelbare Einkopplung an spezifischen Wärmeverbrauchern scheitern häufig am Investitionsaufwand oder der zu niedrigen Gleichzeitigkeit zwischen Wärmebereitstellung und Wärmeabnahme. Einsatz von Hochtemperaturwärmepumpen ermöglicht ein Upcycling dieser Abwärme auf ein Niveau von ca. 120 C bei vertretbarem Energieaufwand Einspeisung der so aufbereiteten Abwärme ins Druckheißwasser- oder Niedertemperaturdampfnetz kein Eingriff in den laufenden Betrieb Deckung des Grundlastbedarfs der Wärmeversorgungsnetze i.d.r. weniger Investitionskosten Ausblick und Ansätze zur Diskussion Erhöhung der zulässigen Anwendungstemperaturen über 120 C Nutzbarmachung niederkalorischer Abluft FEI Upcycling via HT-WP 8

10 Willkommen bei Nutreon Nutreon Engineering GmbH An der Goldgrube Mainz Germany Geschäftsführer: Ralf Tesch, Dr.-Ing. Jan-Christoph Stoephasius Büro +49 (6131) Fax +49 (6131) Internet FEI Upcycling via HT-WP 9

11 FEI Upcycling via HT-WP Ende