Effiziente Abwärmenutzung durch Hochtemperaturwärmepumpen in der Industrie Thomas Fleckl Veronika Wilk Michael Hartl Thomas Fleckl Thematic Coordinator Energy Sustainable Thermal Energy Systems
Großwärmepumpen für die Industrie? Nutzbarmachung von Niedertemperatur-Abwärmeströme Erhöhung der Energieeffizienz des Industrieprozesses Reduktion der Energiekosten Flexibilisierung des Betriebs Erhöhung des Anteils von erneuerbarer Energie in der Industrie
Inhalt Potentiale von Industriewärmepumpen (Kompressions-WP) Beschreibung des State of the Art der Technologie Stand der Forschung im Bereich der Hochtemperaturwärmepumpen Anwendungsmöglichkeiten Zusammenfassung und Ausblick 3
Prinzip der Wärmepumpe 4
Nutzenergiebedarf, PJ Potentiale für Großwärmepumpen in der Industrie (33 europäische Länder, 2012) 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 150-200 C 100-150 C < 100 C 0 Entspricht ca. 25% des industriellen Energieverbrauchs (2012) in der deutschen Industrie Quelle: P. Nellissen and S. Wolf, Heat pumps in non-domestic applications in Europe Potential for an energy revolution, 8th EHPA European Heat Pump Forum, 2015 (bearbeitet). 5
Stand der Technik Anzahl der installierten Anlagen in Europa weitgehend unbekannt, da u.a. keine Verkaufszahlen von der EHPA (European Heat Pump Association) erhoben werden, eine Unterscheidung zwischen Kälteanlagen und Wärmepumpen von den Herstellern nicht gemacht wird bzw. die Anwendungsgrenze auch fließend ist (Kälteanlagen mit Abwärmenutzung) IEA Annex 35 Application of Industrial Heat Pumps : Darstellung von insgesamt 150 Projekten ( Best-Practice ) und Case Studies im Annex 35 Barrieren für Umsetzungen: Mangelndes Wissen zur Integration (Technologie in Kombination mit Prozess Know-How) Heiz- und Kühlbedarf auf Prozessebene teilweise unbekannt Niedrige ROIs (<2-3 Jahre) gefordert Temperaturbedingte Einsatzgrenzen Quelle: Endbericht Annex 35, http://www.izw-online.de/annex35/index.php 6
Stand der Technik und zukünftige Entwicklung Kondensationstemperatur derzeit: ca. 110 C Ziel: bis zu 150 C Verdampfungstemperatur derzeit: ca. 60 C Ziel: bis zu 100 C Heizleistung der Wärmepumpe derzeit: bis zu 30 MW 7
Stand der Technik und Forschungsaktivitäten Wärmenutzungstemperatur > 80ºC 8
Stand der Technik Wärmenutzungstemperatur > 80ºC Hersteller Kältemittel Verdichter Verdichterleistung in MW (max) Te in ºC (max) Tc in ºC (max) Friotherm R134a R1234ze(E) Turbo 9.5 60 98 GEA Grasso R717 Hubkolben Schraube 12 40 82 Johnson Control R245fa R717 Schraube Hubkolben 5 60 115 Mayekawa R717 Hubkolben Schraube 10 40 85 Ochsner ÖKO 1 Schraube 0.3 55 105 Star Renewable Energy R717 Schraube 2 40 95 Thermea R744 Hubkolben 0.35 40 90 9
Versuchsanlagen & Prototypen - Wärmenutzungstemperatur > 80ºC AIT Hersteller Kältemittel Verdichter Verdichterleistung in kw (max) HFO-1336mzz-Z (DR-2) R718 Andere Schraube Hubkolben Te in ºC (max) Tc in ºC (max) 2 to 90 90 170 DTI R718 Turbo 84 90 120 Johnson Controls R718 Turbo 250 90 140 Mayekawa R600 Hubkolben 50 63 115 Siemens LG6 Hubkolben 2 90 150 10
Lab-scale Hochtemperatur-WP Mobiler und flexibler Versuchsaufbau Kältemittel HFO-1336mzz-Z (DR-2) Minimal adaptierter BITZER semi-hermetischer Kolbenkompressor Kondensator Kompressor Nominelle Heizleistung: 12 kw at T cond =100 C & T evap =65 C Verdampfer Expansionsventil
Resultate: Energiebilanzen
Resultate: COPh
Resultate: f0
EnPro Integration of renewable solar heat and heat pumps in industrial processes Highlights 10 case studies in 5 sectors Generalized integration concepts for solar heat and heat pumps Guideline and evaluation tool for users copyright: Salesianer Miettex copyright: Norske Skog 15
Forschungsprojekt EnPro Solarthermie Wärmepumpen Barrieren zu hohe Investitionskosten mangelnde Erfahrung EnPro fehlende Integrationsschemata und Planungsrichtlinien fehlendes Wissen über technologische Weiterentwicklungen Industrieprozesse 16
EnPro Die Studie? Fallstudien in zehn österreichischen Unternehmen Detaillierte Prozessanalyse zur Erhöhung der Energieeffizienz Klassifizierung der energieintensiven Prozesse Integrationskonzepte für Solarthermie und Wärmepumpen Technisch-wirtschaftliche Bewertung Planungsrichtlinie: Leitfaden + Bewertungstool 17
Involvierte Branchen Produzierende Industrie Nahrungs- und Futtermittelherstellung Pappe und Papier Metallerzeugung und -bearbeitung Wäschereien Dämmstoffherstellung Auswahl der Fallbeispiele: Expertise Hoher Energieverbrauch Geeignete Multiplikatoren Eingebundene Stakeholder Wärmepumpenhersteller Solarthermieanlagenhersteller Anlagenbauer Verbände 18
Anwendungsbeispiele Simultanes Heizen und Kühlen 19
Anwendungsbeispiele Industrielle Trocknungsprozesse 20
Anwendungsbeispiele Abwärmenutzung zur Prozessdampferzeugung (Papierindustrie) Wärmequelle: erwärmtes Kühlwasser, 60 C, ca. 3 m³/t Papier Wärmenutzung: Niederdruckdampf, 130 C Wärmepumpe: COP = 2,6 CO 2 Einsparung: ca. 2kg/t Papier = 21% (nach EN15601) Reduktion der laufenden Energiekosten: ca. 0.4 /t Papier = 43% (große Unternehmen) 21
Anwendungsbeispiele Nutzung feuchter Abluft zur Prozessdampferzeugung (Papierindustrie) Wärmenutzung: Niederdruckdampf, 130 C Hochtemperatur- Wärmepumpe Wärmequelle: Abluft, 76 C Taupunktstemp, 56% rel. Feuchte Papiermaschine Wärmepumpe: COP = 2,6 CO 2 Einsparung: ca. 8kg/t Papier = 23% (nach EN15601) Reduktion der laufenden Energiekosten: ca. 2 /t Papier = 44% (große Unternehmen)
Anwendungsbeispiele Industrielle Trocknung: gasbeheizte Flugstromtrocknung Wärmenutzung: Lufterhitzung 25 150 C Wärmequelle: Feuchte Abluft 98 C, 17% rel. Feuchte 23
Anwendungsbeispiele Industrielle Trocknung mit Wärmepumpe LUVO: Quelle WP: Heizleistung WP: 560 kw 437 kw 782 kw 78 C 50 C 150 C Wärmepumpe: COP = 2,3 CO 2 Einsparung: ca. 230 kg/ MW Trocknungsleistung = 48% (nach EN15601) Reduktion der laufenden Energiekosten: ca. 34 /MW = 62% (große Unternehmen)
Anwendungsbeispiele Betriebskosten Investition nicht berücksichtigt Kleine Unternehmen = hohes Strom-/Gaspreisverhältnis Quellen < 50 C nicht mehr wirtschaftlich nutzbar Günstigere Strompreise -> größere Temperaturhübe nutzbar CO 2 Einsparung Stromemissionen hängen von der Art der Stromerzeugung ab Österreichischer Strommix 2013: hoher Anteil an Wasserkraft, Nutzung jeglicher Quelle führt zur Emissionsreduktion Prognose für 2030: weitere Erhöhung des Anteils der Erneuerbaren 25
Anwendungsbeispiele Reduktion der laufenden Betriebskosten durch Wärmepumpen 26
Anwendungsbeispiele Reduktion der CO 2 Emissionen durch Wärmepumpen 27
Anwendungsbeispiele Auswirkungen des Energieeffizienzgesetzes Handel mit Energieeffizienzmaßnahme Investition nicht berücksichtigt Industriebetrieb errichtet Wärmepumpe zur Effizienzsteigerung (=Maßnahme) Energielieferant kauft Maßnahme Wert der Maßnahme wird an Hand der gesparter kwh berechnet Bis zu 12ct/kWh = Höhe der aktuellen Ausgleichszahlung Maßnahmenhandel führt zur deutlichen Betriebskostenreduktion des Industriebetriebes 28
Auswirkungen des Energieeffizienzgesetzes Energielieferant kauft Maßnahme = Einbau der Wärmepumpe
Zusammenfassung Das Potential der Wärmepumpen für den Einsatz zur Wärmerückgewinnung in Industrieprozessen ist groß, aber immer eine Frage der Wirtschaftlichkeit: Investitionskosten ca. 300 bis 800 Euro/kW (Installation oft stark unterschiedlich) Energiekosten für den Betrieb: Strompreis zu Gaspreis < COP Betriebskostenreduktion durch Maßnahmenhandel im Rahmen des Energieeffizienzgesetzes möglich Das CO 2 -Einsparungspotential ist bei einer weiteren Verringerung des CO 2 -Anteils im Strommix auch bei geringen Leistungszahlen gegeben Es gibt bereits Wärmepumpen im MW-Bereich (Heizleistung) mit Te bis 60ºC und Tc bis 110ºC Labor- und Pilotanlagen zeigen, dass mit verfügbaren Kältemitteln ein Betriebsbereich von Te bis 90ºC und Tc bis 150ºC möglich ist. In Zukunft vielleicht noch höher. Die Prozessintegration setzt ein sehr gutes Verständnis sowohl von der Technologie als auch von der Prozessseite voraus. 30
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