Sorptionskühlung in einer Molkerei Fallstudie Jürgen Fluch AEE Institut für Nachhaltige Technologien (AEE INTEC) A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19 AUSTRIA Überblick Zielsetzungen im Projekt und Projektablauf Matrix geeigneter Sektoren für den Einsatz Sorptionskälte Einführung Molkerei Bestand Kälte- und Wärmeversorgung Fließschema Optimierungsmaßnahmen Kältelast Molkerei Integration Sorptionskühlung Zusammenfassung 1
Zielsetzungen (1) Industrielle Anwendungen von Sorptionskälte Vorauswahl vielversprechender Gewerbe- und Industriezweige Entscheidungsmatrix: Kältebedarf, Temperaturniveau, Lastprofile-und Übereinstimmung, Integrationsmöglichkeit, Auswirkungen auf Prozess/Anwendung, technische Integrationsmöglichkeit, Multiplizierbarkeit, Anzahl der Anwendungen in Österreich Aufnahme und Abbildung der relevanten Daten und Erstellung der Kälte- und Abwärmelastprofil 2 gewerbliche Betriebe 2 Industriebetriebe (Brauerei, Molkerei) Zielsetzungen (2) Systemkonzepte für die Industrie Durchführung von Fallstudien (Brauerei, Molkerei) Berücksichtigung von vorhandener Abwärme, Solarenergie, Nahwärme (Biomasse) und/oder KWK als Antriebswärme für Kältemaschine Bewertung nach folgenden Kriterien Verfahrenstechnisch Wirtschaftlich Energetisch Methodik Definition von Referenzanlagen Simulation Optimierung der Anlagenkonfiguration 2
Matrix (1) Untersuchung von 18 Industriebranchen Identifikation von Unit Operations mit Kühlbedarf Zuordnung von erwarteter Kälteleistung und Betriebsparametern (Betriebsweise, Temperaturprofil) sowie vorhandener Abwärme Übereinstimmung der Lastprofile Kälte und Wärme Evaluierung der technischen Integrationsmöglichkeit und Vorauswahl der einzusetzenden AKM (NH 3, LiBr) Multiplizierbarkeit Identifikation vorhandener Fallbeispiele Matrix (2) Branchen mit Potential für Sorptionskühlung Brauereien Fermentation, Hefetank, Lagerung Molkereien Lagerung und Prozesskühlung Fleischereien / Schlachthof Verarbeitung und Lagerung Lebensmittelhandel Lagerung, Verkaufsräume Serverfarm-Kühlung Katalytische Nachverbrennung Prozesskühlung Prozesskühlung Raumkonditionierung 3
Molkerei 3 Produktionslinien Großer Kühlbedarf bei gleichzeitig großem ungenutztem Abwärmepotential Datenerhebung Komplexe Datenerhebung wegen verschränkter Prozesse und Verschaltungen Erfassung aller Produktionsabläufe Energieversorgung Wärme: 3 Gaskessel, Dampfnetz, teilweise Wärmerückgewinnung Kälte Kompressionskälteanlagen Eiswasser < 8 C Flusswasser Fließschema 4
Optimierungsmaßnahmen Prozessoptimierung Alternative Technologien für energieintensive Prozesse Umstellung auf Heisswassernetz Systemoptimierung Optimierte Versorgung der Prozesse im Rahmen der Konzepterstellung Bestand RES Technologien Pinch - Wärmerückgewinnung mit Kühlbedarf in Produktion 5
Systemoptimierung - Wärmerückgewinnung Nutzung der Abwärme der zu kühlenden Prozesse Rahmkühlung Winterrahm bzw. vor Pasteur Kühlung Molkekonzentrat Molkekühlung nach Entfettung Abwärme von Kesseln Gesamteinsparung 10% durch WR Identifikation und Nutzung verbleibender Abwärme zur Versorgung der Sorptionskälteanlagen Kältelasten (1) Kühlung einer Vielzahl an Prozessen im Betrieb Rohmilch Anlieferung, Milch nach Pasteur vor Weiterverarbeitung, Versandmilch (3 4 C) Rahmkühlung vor und nach Pasteur (8-12 C) Kühlung Buttermilch(6 C) Kühlung Topfen im Lager (6 C) Kühlung Käsemilch(32 C) Molkekühlung (8 C) Molkekühlung nach Entfettung (8 C) Kühlung Molkekonzentrat im Zwischenlager (5 C) Kühlung Molkekonzentrat im Sprühturmlager (25 C) Kühlung Schmelzkäse (6 C) 6
Kältelasten (2) Teilweise konstante Kältelasten ABER teilweise sehr unterschiedliche Kältelasten zu unterschiedlichen Betriebszeiten Detaillierte Erhebung der Betriebszeiten, Massenströme und somit der Kältelasten somit unbedingt notwendig Identifikation und Evaluierung der Speicher und ihrer Kälte-Verluste Kältelasten der Gebäude im Sommer sind zu berücksichtigen Annahme: einheitliches Versorgungssystem Kältelasten (3) 1.200 1.000 1.200 Kälteleistung [kw] 800 600 400 200 Kälteleistung [kw] 1.000 800 600 400 200 Kälteleistung [kw] 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 Kälteleistung [kw] 3.500 3.000 2.500 2.000 0 1.500 01.01.2010 20.02.2010 1.500 11.04.2010 31.05.2010 20.07.2010 08.09.2010 28.10.2010 17.12.2010 Kühlung Rohmilch Kühlung Versand+Käse+Topfenmilch zusätzl. Kühlung Versandmilch 0 Rahmkühlung vor 1.000 Pasteur Rahmkühlung nach Pasteur Kühlung Rahm Winter 01.01.2010 03.01.2010 04.01.2010 05.01.2010 02.01.2010 06.01.2010 07.01.2010 1.000 Kühlung Buttermilch Kühlung Topfen im Lager Kühlung Käsemilch Kühlung Kühlung Versand+Käse+Topfenmilch zusätzl. Rohmilch Kühlung Versandmilch - WRG (mit Käsemilch) nach Entfettung Kühlung Molkekonzentrat (Zwischenlager) Molkekühlung Molkekühlung Rahmkühlung vor Pasteur Rahmkühlung nach Pasteur Kühlung Rahm Winter 500 Kühlung Molkekonzentrat (Sprühturmlager) Kühlung Schmelzkäse Kühllast Gebäude Kühlung Buttermilch Kühlung Topfen im Lager Kühlung Käsemilch Molkekühlung - WRG 500(mit Käsemilch) Molkekühlung nach Entfettung Kühlung Molkekonzentrat (Zwischenlager) Kühlung Molkekonzentrat (Sprühturmlager) Kühlung Schmelzkäse Kühllast Gebäude 0 29.07.2010 30.07.2010 31.07.2010 01.08.2010 02.08.2010 03.08.2010 04.08.2010 05.08.2010 0 Summe Prozesse Kühllast Gebäude 03.01.2010 04.01.2010 01.01.2010 02.01.2010 05.01.2010 06.01.2010 07.01.2010 Summe T<10 T<20 7
Konzepterstellung Abwärmenutzung Großteil der anfallenden Abwärme kann intern genutzt werden wichtig für Potentialabschätzung der Integration der Solarthermie als Wärmequelle für AKM Verbleibende Abwärme auf geringerem Temperaturniveau geringere Nutzbarkeit Reduktion des Kältebedarfs Ersatz bestehender Kälteanlagen durch AKM Erzeugung Eiswasser Vorteil vorhandener Speicher für Wärme und Kälte Nutzung für Solarthermie möglich Nutzung von bestehendem Versorgungsnetz Verfügbare Dachflächen durch Neubau Sorptionskälte Integration von drei geeigneten Prozessen mit Kältebedarf Rahmkühlung nach Pasteur (von 13 C auf 8 C) Kühlung Buttermilch (von 11 C auf 6 C) Kühlung Schmelzkäse (von 80 C auf 6 C) Eckdaten Ca. 75 kw Kälteleistung Ca. 150 MWh/a Kältebedarf 8
Integrationskonzept - draft Bewertung Eckpunkte Systemkonfiguration: Kollektorart und fläche Solarthermie oder Abwärme als Wärmequelle Speichergröße, -aufteilung, -management, -regelung Hydraulik, Pumpen, Rohrleitungen, Armaturen, Wärmetauscher Sinnvolle Abdeckung Grundlast/Spitzenlast (Sorption/KK) Back-up Strategien Abschätzung der Investitions- und Betriebskosten sowie der Lebensdauer (20 Jahre) Regelungsstrategie (Verschaltung) Definition einer Referenzanlage (KK) 9
Solarthermie als Wärmequelle Jahreskosten [EURO/a] [EUR] 16.000 300.000 14.000 250.000 12.000 10.000 200.000 8.000 150.000 6.000 4.000 100.000 2.000 50.000 - Eckdaten - Investkosten AKM: 95.000,- Investkosten Solar: 90.000,- (300 m²) Investkosten KKM: 30.000,- Förderungen AKM: 450 /kw Solar: Großsolarförderung AKM+Spitzen KKM Dyn. Kältekosten/Jahr Amortisationszeit Referenz KKM Betriebsgebundene Kosten Verbrauchsgebundene Kosten Kaptialgebundene Kosten 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Jahre Referenz KKM AKM+ Spitzen KKM Abwärme als Wärmequelle Jahreskosten [EURO/a] [EUR] 16.000 300.000 14.000 250.000 12.000 Nutzbare vorhandene Dyn. Amortisationszeit Abwärme zur Versorgung Kältekosten/Jahr Sorptionskühlung Bestehende Kälteversorgung als Backup Eckdaten 10.000 200.000 Betriebsgebundene Kosten 8.000 Investkosten AKM: 95.000,- 150.000 6.000 Verbrauchsgebundene Investkosten WT: nicht berücksichtigt 100.000 Kosten 4.000 Kaptialgebundene Kosten 2.000 50.000 - - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Investkosten KKM: 30.000,- Förderungen AKM Referenz KKM AKM: 450 /kw Jahre Referenz KKM AKM+ Spitzen KKM 10
Zusammenfassung (1) Vielzahl geeigneter Prozesse für Sorptionskühlung Einfache Integration in bestehende Kälteversorgung Schritte zur Optimierung in der Industrie und Gewerbe VOR Integration Evaluierung Ist-Stand Prozessoptimierung Systemoptimierung inklusive Nutzung vorhandener Abwärmeströme in Wärmetauschernetzwerk Zusammenfassung (2) Evaluierung Integration Sorptionskühlung Fallstudie Abdeckung Grund- und Spitzenlast Amortisation ~ 13 Jahre Vergleich solarversorgte AKM zu KKM (inkl. Förderung) Nutzung vorhandener und nicht anderweitig nutzbarer Abwärme als Quelle für Sorptionskühlung Amortisation < 9 Jahre Betrachtung als Infrastruktur-Investition Nutzung Solarthermie zur Versorgung von Prozessen mit einem Wärmebedarfs Prozesstemperatur 30 C bis 120 C Speziell Lebensmittelindustrie hat geeigneten Wärmebedarf UND Kühlbedarf Konkurrenz für solares Kühlen 11
Projektpartner Fallstudie Das Projektwurdeko-finanziertdurchden Klima-und Energiefonds imrahmendes Programmes NEUE ENERGIEN 2020 Sorptionskühlung in einer Molkerei Fallstudie Jürgen Fluch AEE Institut für Nachhaltige Technologien (AEE INTEC) A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19 AUSTRIA 12