Integration von Wärmepumpen in industrielle Prozesse mit Hilfe der Pinch-Analyse

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1 Integration von Wärmepumpen in industrielle Prozesse mit Hilfe der Pinch-Analyse Prof. Dr. Beat Wellig, Peter Liem, Donald Olsen, Lukas Gitz Hochschule Luzern Technik & Architektur CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik Dr. Andrea Grüniger Grüniger PLUS GmbH 20. Tagung des BFE-Forschungsprogramms «Wärmepumpen und Kälte», Burgdorf, 25. Juni 2014

2 Inhalt 1. Kurze Einführung in die Pinch-Analyse 2. Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb: Ist-Zustand 3. Integration einer Wärmepumpe mittels Pinch-Analyse 4. Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb: Optimierte Anlage 5. Schlussfolgerungen 2

3 Energiebedarf in der Schweizer Industrie Industriesektor: 19 % des gesamten Schweizer Energiebedarfs, davon: Prozesswärme 53.4% Quelle: Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs nach Verwendungszwecken, Bundesamt für Energie BFE,

4 Bundesamt für Energie: «Energiebedarf von industriellen Prozessen 20-40% senken!» Wie geht das? Prozessintegration mittels Pinch-Analyse

5 Industrielle Prozesse: z.b. Metallverarbeitung Fragen: 1. Wie effizient ist dieses System? 2. Wie gross ist der minimale Energiebedarf? 3. Wie gross ist das WRG-Potenzial? 4. Lohnt sich der Einsatz von WP, BHKW usw.? 5. Wo liegt das wirtschaftliche Optimum für die Investitions- und Betriebskosten? 6. Wie kann dieses Optimum erreicht werden? Die Pinch-Analyse liefert die Antworten! 5

6 Prinzip der Pinch-Analyse Ein Prozess wird abstrahiert in Stoffströme, die aufgeheizt (Wärmebedarf) oder abgekühlt (Kühlbedarf) werden müssen: Kalte Ströme (cold streams) Eindampfen von Fruchtsaft Aufheizen eines Thermoöls Heisse Ströme (hot streams) Kühlwasser Druckluftkompr. Abkühlen einer Lösung T,H-Diagramm: Stoffstrom Tα Q Tω ( T T ) = H Q = m cp α ω T T T ω T T α Q Aufheizen Verdampfen Steigung T H 1 = m m h V c p H H 6

7 Prinzip der Pinch-Analyse Verbundkurven (Composite Curves, CC) im T,H-Diagramm: T [ C] Pinch = «Einschnürung» Hot CC: Wärmeangebot 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]

8 Prinzip der Pinch-Analyse Philosophie: Targets before Design Festlegung Energie- und Kostenziele vor dem Design der Anlage Composite Curves Cost Curves Jährliche Gesamtkosten T min,opt T [ C] Optimale Kühlleistung Optimale Heizleistung Yearly Cost [CHF/y] Jährliche Betriebskosten Jährliche Investitionskosten Optimale WRG T min,opt Δ Tmin [K] 8

9 Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Nutzen von Pinch-Analysen - Ganzheitliche Optimierung von - Anlagendesign, Energieversorgung - Energieeffizienz - Investitions- und Betriebskosten - Aussage über das absolute Energiesparpotenzial - Massnahmenkatalog mit Kosten/Nutzen- Betrachtung - Strategische Planung von Massnahmen («Man verbaut sich nichts») - Senkung Energiebedarf bis zu 40% 9

10 Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb Vereinfachtes Anlagenschema Ist-Zustand Kühltürme 60 C Kompressoren 70 C Energieeintrag WRG-System: 2.5 GWh/a BWW 4 m 3 60 C 15 C weitere Anlagen Diverse Heizgruppen Energieeintrag Heizkessel: 2.5 GWh/a 31 C 25 C Speicher 2 x 70 m 3 Heizkessel 1 & 2 Frischwasser 38 C Öfen 50 C Heizung Bürogebäude Hauptkühlkreislauf Abgeführte Energie: 6 GWh/a Thermischer Energiebedarf: 5 GWh/a Energiekosten: CHF/a 10

11 Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb Betriebsfall «Winter» Composite Curves Grand Composite Curve Erdgas (HU) Erdgas (HU) Wärmedefizit Kompressoren Öfen T min,opt Pinch-Punkt Übrige Anlagen Heizung Wärmeüberschuss BWW Kühlturm (CU) WRG Kühlturm (CU) Pinch-Temperatur: 49 C Optimales ΔT min : 2.5 K Heizleistung (Hot Utility): 630 kw Kühlleistung (Cold Utility): 1042 kw WRG-Potenzial: 230 kw Wärmedefizit bei 60 C: 630 kw Wärmeüberschuss bei 35 C: 600 kw Rest-Wärmeüberschuss bei 20 C: 442 kw 11

12 Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb Integration einer Wärmepumpe T * Q HU «Falsche» Integration: Wärmepumpe arbeitet Wärmedefizit nur unterhalb Pinch Der Wärmeüberschuss wird um Pinch- Temp. Q + P 0 el die Verdichterleistung erhöht, was eine höhere Kühlleistung Wärmeüberschuss P el kühlung steigen). zur Folge hat (Kosten für Rück- Q 0 Q + P CU el HU = Hot Utility CU = Cold Utility 12

13 Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb Integration einer Wärmepumpe * T Q HU P el Q 0 + P el «Falsche» Integration: Wärmepumpe arbeitet Wärmedefizit P el nur oberhalb Pinch Das Wärmedefizit wird um die Pinch- Temp. Energetisch gesehen ist diese Integration eine elektrische Q 0 Verdichterleistung verringert. Heizung! Wärmeüberschuss Q CU HU = Hot Utility CU = Cold Utility 13

14 Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb Integration einer Wärmepumpe * T Pinch- Temp. ( Q ) Q + HU P 0 el Wärmedefizit Wärmeüberschuss Q + 0 P el Q 0 P el «Korrekte» Integration: Wärmepumpe arbeitet über den Pinch Die Wärmepumpe reduziert gleichzeitig den Kühl- und Heizbedarf des Prozesses und die damit verbundenen Betriebskosten. Q CU Q 0 HU = Hot Utility CU = Cold Utility 14

15 Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb Korrekte Integration der Wärmepumpe (Optimum) Grand Composite Curve Composite Curves Kondensatorleistung WRG Kondensation R134a Verdichterleistung T min,opt Verdampferleistung CU CU Verdampfung R134a Optimal integrierte Wärmepumpe: Verdampfungstemp.: 35 C Verdampferleistung: 560 kw Kondensationstemp.: 62.5 C Kondensatorleistung: 630 kw Was bringt die Wärmepumpe? WRG-Potenzial mit WP: 1405 kw (ohne WP 230 kw) Keine Heizleistung (HU) notwendig Kühlleistung (CU) markant verringert 15

16 Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb Wärmeübertrager-Netzwerk (Optimum) Optimal integrierte WP (Netzwerk): 630 kw Heizleistung und 560 kw Kühlleistung können eingespart werden. Empfehlung für Realisierung: - Kompressorkühlung zur BWWund HW-Erwärmung - Schwankende Temperatur Ofen- Kühlwasser: Verwendung Hauptkühlkreislauf als Wärmequelle - Bivalente Lösung mit bestehenden Heizkesseln: - Heizleistung WP ca. 400 kw - Deckungsgrad WP ca. 80% 16

17 Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb Vereinfachtes Anlagenschema der optimierten Anlage Kühltürme 60 C Kompressoren 70 C Erwärmung BWW BWW 4 m 3 60 C 15 C weitere Anlagen Diverse Heizgruppen 31 C 25 C Speicher 2 x 70 m 3 60 C Heizkessel 1 & 2 Frischwasser Öfen 38 C 50 C Heizung Bürogebäude Hauptkühlkreislauf Wärmepumpe Wärmepumpe: - R134a, zweistufiger Schraubenverdichter (75%/100%) - Heizleistung 384 kw, COP 4.3 (W28/W60) - Investitionskosten ca CHF, Einsparung Energiekosten ca CHF/a, Amortisationszeit ca. 4 Jahre 17

18 Schlussfolgerungen Die Pinch-Analyse ist der Schlüssel zu mehr Energieeffizienz & Wirtschaftlichkeit in der Industrie Das Engineering-Tool PinCH 2.0 führt die Ingenieurin oder den Planer Schritt für Schritt durch die Analyse und Optimierung Mittels Pinch-Analyse können Wärmepumpen (und BHKW, ORC usw.) «korrekt» in Prozesse integriert werden. Bei komplexen Prozessen ist eine Pinch- Analyse unabdingbar. Fallbeispiel Metallverarbeitungsbetrieb: integrierte WP erhöht WRG-Potenzial markant Heiz- und Kühlbedarf wird minimiert 18

19 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 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 19