Bundesamt für Energie BFE Aktuelle Projekte IP Management Forschungsprogramm Industrielle Prozesse Martin Pulfer Bundesamt für Energie Michael Spirig Fomenta AG
Agenda Projektliste Methoden und Tools 3/5 Projekte Effiziente Verfahren und Strategien 5 Projekte Integration erneuerbaren Ressourcen und Abwärmenutzung 10 Projekte Ausgewählte Projekte Qualität/Nutzen der Abwärme Impulse und Wünche von Stakeholdern 2
Projektliste Methoden und Tools Methoden und Tools EMT - Monitoring tool for targeting energy saving potential in batch chemical industries Abschätzung von Massen- und Energieflüssen in der chemischen Industrie LCA4AFR: Energy Efficiency and Sustainable Regional Management of Waste and Industrial By-Products 3
Projektliste Effiziente Verfahren und Strategien Effiziente Verfahren und Strategien Effizienzsteigerungen von landwirtschaftlichen Trocknungsanlagen Entwässerung von Bioethanol für die Zugabe in Benzin Optimierung WRG Polymerisation Energieeffizienz beim Spritzgiessen von Kunststoffen Wärme-Management von energie-optimierten und qualitativ hochstehenden Werkzeugmaschinen und/oder konditionierten Räumen 4
Projektliste Integration erneuerb. Ressourcen & Abwärmenutzung Integration erneuerbaren Ressourcen und Abwärmenutzung Marktübersicht in energieintensiven Bereichen der Schweizerischen Industrie Abwärmenutzung mittels mobilen Zeolith-Wärmespeicher Abwärmenutzung mittels stationärer Zeolith-Speicheranlage Thermosiphon für Wärmerückgewinnung aus heissen (verschmutzten) Abgasen Verbesserung der Berechnungsmodelle und Aufzeigen von Kostenreduktionspotenzialen von Wärmetauschern in Anwendungen mit starker Staubbeladung Ersatz von Elektro- und Dieselfahrzeugen (Rangierlokomotiven, Pneu-Schleppfahrzeuge) auf Werkarealen durch Dampfspeicherfahrzeuge Green Data Center Einsatz von erneuerbaren Energien zur Temperierung von Bearbeitungscenter Einstein - Expert system for an Intelligent Suppply of Thermal Energy in Industry Andere Programme: Industrielle Solarenergienutzung et al. 5
Projektliste Methoden und Tools Methoden und Tools EMT - Monitoring tool for targeting energy saving potential in batch chemical industries «Energy Monitoring Tool - Betriebsparameter und model basierte Identifizierung des Energieverbrauchs und- Einsparpotials von Produkten, Reaktoren, Produktionsanlagen (Building); Open-Sourse SW Abschätzung von Massen- und Energieflüssen in der chemischen Industrie Bestimmung und Vorhersage der Energie- und Materialflüsse in chemischen Produktionsprozessen anhand von teil-prozessbasierten Modellen und Rückführung auf Betriebsparameter LCA4AFR: Energy Efficiency and Sustainable Regional Management of Waste and Industrial By-Products Decision-Aid-Tool: LCA zur Unterstützung von Entscheidungs-prozessen von Behörden, Industrie und NGOs nachhaltige und energetisch optimierte industrielle* (Wieder- )Verwendung von Produktionsreststoffen zu erreichen (*Cement, Stahl,...); Shareware www.ifu.ethz.ch/esd/downloads/lca4afr 6
Forschungsergebnisse Energy Monitoring Tool (EMT) für Batch Plants ETHZ Challenge: E-Analyse-, Optimierung- und Auslegungs-Tool External Supplier E PRIMARY PSM,EVAP E HCU,UO Chemie Rezept Utility Generation PSM,Lsurf E HCU,UO Energy Need PSM,Lhcs E HCU,UO H/C System PSM,TOT E HCU,UO PSM,JACin E HCU, UO PSM,JACout E HCU, UO PSM,THERM EHCU,UO PSM,DISS E HCU,UO PSM,REAC E HCU,UO Technik Analyse des Energiebedarfs (Produkt bis Fabrik) mittels weniger Messdaten. 7
Efficiency [-] Average steam consumption [kg/batch] Forschungsergebnisse Energy Monitoring Tool (EMT) for Batch Plants ETHZ 1 0.9 R53 R55 R43 R21 R13 R22 R15 R52 R45 R35 R16 R85 R11 R34 R41 R76 R75 R54 Average steam consumption per batch 15000 0.8 0.7 0.6 10000 0.5 0.4 0.3 5000 0.2 0.1 0 0 UO code R53 R55 R43 R21 R13 R22 R15 R52 R45 R35 R16 R85 R11 R34 R41 R76 R75 R54 # of Products 1 4 4 2 3 1 2 2 1 1 1 1 1 1 1 2 2 1 # of Batches 7 9 15 7 32 26 15 23 9 71 27 55 27 7 184 18 10 24 NV [m 3 ] 40 6.3 25 25 40 40 16 10 6.3 10 16 16 10 16 16 25 40 16 material SS SE SS SS SS SS SS SE SE SE SE SS SE SS SS SS SS SE H/C type HP DJ DJ HP HP DJ HP DJ DJ DJ DJ DJ DJ HP DJ HP DJ DJ Verbesserung Hoher Dampfverbrauch Tiefe Betriebseffizienz Tiefer Dampfverbrauch Hohe Betriebseffizienz Betrieb & Prozessführung werden ohne Hardwareinvestitionen energetisch optimiert. 8
Product- and Process-LCA-Map Tools for Realization of Energy Savings in Products and Processes Life Cycle of Product Deconstruction Consumption Delivery, Storage Factory Production Systems Processes (Reactor lines) Single Reactors Material Molecules Basics Tech. Rules, Data, Regulations 4.1 Possible Enlargement of 4 1. Inventory Modelling Planning Process- & Plant-Design Build-up Components, Reactors, Machines Processes, Systems 4. Decision Support Tool 3. Energy Efficient System Design 5. PinCH 5 2. Energy Efficiency Monitoring and Optimization (EMT) Build-up Plant, Building, Factory, Production Area 1. Inventory Modelling Raw Material Change Retrofit Operation & Maintenance Deconstruction 1. Inventory of Mass- and Energyflows for Chemical Industry (ETHZ Hungerbühler) 2. EMT in Chemical Batch Plant (ETHZ Hungerbühler) 3. EE System Design Integration of Econversion, production process and waste management (EPFL Maréchal) 4. Decision Support Tool LCA for Alternative Fuels and Raw Materials in the Cement, steel, industry (ETHZ Hellweg) 5. PinCH Processintegration - Process Analysis and Design Tool (HSLU Wellig) Life Cycle of Process F 9
Projektliste Effiziente Verfahren und Strategien Effiziente Verfahren und Strategien Effizienzsteigerungen von landwirtschaftlichen Trocknungsanlagen Effizienzsteigerung von Landwirtschaftlichen Trocknungsanlagen (3000 MWh/a; 1000 Normt Trockengut/a) durch mechanische Entwässerung mittels einer Vorpresse und okologisch sowie ökonomisch positive Verwendung zur Biogas-, Bio-Ethanol-, Milchsäureherstellung des normal gebührenpflichtig zu entsorgenden Presssaftes; P&D vorgesehen Entwässerung von Bioethanol für die Zugabe in Benzin Energetischer und ökonomischer Vergleich von Membran- oder Molekularsieb (Zolith)- Pilotanlagen (200kg/h) zur Absolutierung (Entwässerung auf <0.1%) von (Bio-)Ethanol als Benzinzugabe (E85). Optimierung WRG Polymerisation Verbesserung von durch Fouling d.h. Oligomere-Ablagerungen betroffenen Wärmetauschern mittels Teilredundanz, Reinigungssystem mit Essigsäure, Optimierte Betriebsweise usw. Energieeffizienz beim Spritzgiessen von Kunststoffen Klärung des Energie- und Kosteneinsparpotentiale bei Spritzgiessanlagen, Realsierung einer schnellen Wärmerekuperation am Werkzeug bei einer Pilotapparatur, Materialmodifikation für niedrigere Schmelztemperaturen Wärme-Management von energie-optimierten und qualitativ hochstehenden Werkzeugmaschinen und/oder konditionierten Räumen Brainstorming und Motivation für Energieoptimierungsmassnahmen mit Werkzeugmaschinenfirmen 10
Gras, Mais,.. drying process for efficient food production 11 Source: Lisseth Sandoval FHNW
Mechanical pressing instead of thermal drying Schneckenpresse Compax CX 60 Replace e-intensive, thermal parts with less e-intensive parts support design of new processes 12 Source: Lisseth Sandoval FHNW
Ergebnisse bei gleichbleibender Futtermittelqualität Reduktion des Wassergehalts im Grüngut Verkürzung der Durchlaufzeit um ca. 15 Minuten Reduktion des spezifischen Heizölverbrauchs Reduktion der Trocknungstemperatur um ca. 15 C Reduktion der CO 2 - Emissionen um ca. 200 t/a Reduktion der Trocknungskosten Leistungssteigerung der Trocknungsanlage 13 Source: Lisseth Sandoval FHNW
Effizienzsteigerung landwirtschaftlicher Trocknungsanlagen II Modul C - Weiterverarbeitung der Prozessabfälle (Presssaft) zu Ressourcen Gras Mais * Modul-C 3 Nutzung der Prozessabfälle (Presssaft) als Ressourcen * 1 Vorpressung Trocknungs- verfahren * 2 Trockenfuttermittel Presswasser/-saft * 3???... Produkte Feinchemikalien Nahrungszusätze Energieträger pro Tonne Pressgut ca. 200 L (ca. -2%) ca. 20 kg Zucker (ca. 90%) 18 kg Milchsäure (800 t/a) ca. 14 t Milchsäure /Jahr No waste - Think always of the potential values in so called waste (material, energy,..) 14 Source: Gregor Hommes FHNW
Forschungsergebnisse Optimierung WRG Polymerisation HSLU Challenge: Fouling durch Oligomere - Ablagerungen Ansicht auf den Rohrboden eines von Fouling betroffenen Wärmetauschers Organische Substanzen, die sich in den Wärmetauschern ablagern. 15 Source: Beat Wellig HSLU
Forschungsergebnisse Optimierung WRG Polymerisation HSLU Lösung: Teilredundanz Reinigungssystem mit Essigsäure Optimierte Betriebsweise Resultat: Idealfall konservative Berechnung Einsparung Frischdampf 7 000 t/a 5 000 t/a Reduktion CO2-Ausstoss 840 t/a 600 t/a Einsparung Energiekosten 470 kchf/a 340 kchf/a Redundant critical process parts allow optimised operation e.g. revision at the right time 16 Source: Beat Wellig HSLU
Neues Forschungsprojekt Energieeffizienz beim Spritzgiessen von Kunststoffen Klärung des Energie- und Kosteneinsparpotentiale bei Spritzgiessanlagen, Realsierung einer schnellen Wärmerekuperation am Werkzeug bei einer Pilotapparatur Materialmodifikation für niedrigere Schmelztemperaturen 17
Lub-oil pumping hydraulics Manufacturing technique Trends Statements Trends, which have impact on energy consumption: - Flexibel producton in small lots - Raw material in standard sizes - Increasing unproductive periodes - Better process controll - Less bearing losses kw turning Statements - Energy cost are not very dominant Amplification between economic and energetic optimisation -.. - Lublification-power (also for cooling, cleaning, evaporisation) has to be designed for the worst case i.e. high maximum, >97% of the applications! in operation often for security not throttled! - relevant energy consumption - Machine- and prcess design needs Ecodesign -.. Wärmemanagement und erneuerbares Temperaturmanagement gefordert grinding 18 Source: Lukas Weiss Inspire AG
Projektliste Integration erneuerb. Ressourcen & Abwärmenutzung Integration erneuerbaren Ressourcen und Abwärmenutzung I Marktübersicht in energieintensiven Bereichen der Schweizerischen Industrie Untersuchung und Quantifizierung der Verfügbarkeit und Nutzungsmöglichkeiten industrieller Abwärme an vier Standorten - Temperaturen, verfügbare Technologien, Kostenrechnung. Abwärmenutzung mittels mobilen Zeolith-Wärmespeicher Abwärmenutzung mittels stationärer Zeolith-Speicheranlage Machbarkeitsstudie zur Rentabilität von mobilen Zeolith-Wärme-Akkus (15 t Zeolith, 18.7 m3, ca. 4.2MW), Vollkostenbetrachtung der ganzen Nutzungskette und Konkretisierung an Beispielen (30km) Machbarkeitsstudie und Umsetzungsplanug sowie Modell zum energieeffizienten und rentablen Betrieb einer stationären Zeolith-Wärmespeicher-Anlage für das Holzkraftwerk Basel. Thermosiphon für Wärmerückgewinnung aus heissen (verschmutzten) Abgasen Verbesserung der Berechnungsmodelle und Aufzeigen von Kostenreduktionspotenzialen von Wärmetauschern in Anwendungen mit starker Staubbeladung Berechnung, Auslegung und Realisierung von modularen Thermosiphon-Wärmeübertrager zur Nutzbarmachung von verschmutzten Abgas- bzw. Abluft-Bestandteile die zu Fouling, Abrasion und massiver Korrosion führen. Beispiel Stahlwerk, weitere Anwendungen in Klärung. Messung des Foulingfaktors, resp. k-wertes und deren Veränderung über die Zeit an der KVA mit ORC in Untervaz, CFD Strömungssimulation für Erklärungen, Anpassung und Validierung dynamischer WT-Berechnungsunterlagen, Betimmung des Einflusses auf den ORC und das Gesamtsystem, Abgleich mit "PinCH" 19
Neues Forschungsprojekt: Thermosiphon für WRG aus heissen (verschmutzten) Abgasen Berechnung, Auslegung und Realisierung von modularen Thermosiphon-Wärmeübertrager zur Nutzbarmachung von verschmutzten Abgas- bzw. Abluft-Bestandteile die zu Fouling, Abrasion und massiver Korrosion führen. Beispiel Stahlwerk, weitere Anwendungen in Klärung. 20
Neues Forschungsprojekt: Berechnungsmodelle und Kostenreduktion von WT mit starker Staubbeladung Messung des Foulingfaktors, resp. k-wertes und deren Veränderung über die Zeit an der KVA mit ORC in Untervaz CFD Strömungssimulation für Erklärungen, Anpassung und Validierung dynamischer WT- Berechnungsunterlagen Bestimmung des Einflusses auf den ORC und das Gesamtsystem, Abgleich mit "PinCH" 21
relative value of heat Wert von Wärme als Funktion von Temperatur und Technologie 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Gestrichelt: Technologieinvestition für eine bessere Wiederverwendung Entsalzung Raumheizung Elektrizitätserzeugung Sorptionskühlung Carnot Effizienz Mobilität H2 Produktion 0.0 20 40 60 80 100 120 re-use temperature [ C] - 50% Raumheitzung Datacenter Wärme - 30% Entsalzung z.b. 60 ºC - 5% Kühlung Politische Diskussion: Ist die Nutzung von Abfallenergie wie Erneuebare zu unterstützen 22 Source: Bruno Michel IBM
Projektliste Integration erneuerb. Ressourcen & Abwärmenutzung Integration erneuerbaren Ressourcen und Abwärmenutzung II Ersatz von Elektro- und Dieselfahrzeugen (Rangierlokomotiven, Pneu- Schleppfahrzeuge) auf Werkarealen durch Dampfspeicherfahrzeuge Klärung des Profils inkl. Energieeinsparung (Dieselöl, Elektrizität), Entwicklungs- und Herstellkosten, eingesetzter Dampfspeicherfahrzeuge sowie des Dampfliefer-, Markt- und Wertschöpfungspotenzials CH, DE, etc, Planung des Pilotbetriebs mit vorhandenen Dampfspeicherloks bei Ems Chemie, Migros Suhr, Novartis, etc. Green Data Center Entwicklung von flüssigkeitsgekühlten Chips zur Nutzung von Prozessorabwärme (z.b. bis 250MW) bei möglichst hohen Temperaturen (60 C --> 80 C) Einsatz von erneuerbaren Energien zur Klärung der technischen und betrieblichen Potentiale Temperierung von Bearbeitungscenter Einstein Expert system for an Intelligent Suppply of Thermal Energy in Industry Andere Programme - Industrielle Solarenergienutzung - et al. Standardisierte Methodik zur Ausarbeitung energieeffizienter Lösungen für Produktionsprozesse; Unterstützung für die Auswahl und Integration von erneuerbaren Energien; Ziel: Signifikante Senkung der Betriebskosten; diverse ergänzende Projekte 23
IT: Green Datacenter Markttreiber und Trends Increased green consciousness, and rising cost of power IT demand outpaces technology improvements Server energy use doubled 2003-2008; temporary slowdown due to economic crisis resume of power growth is not sustainable Koomey Study: Server use 1.2% of U.S. energy ICT industries consume 2% world wide energy Carbon dioxide emission like global aviation Real Actions Needed Brouillard, APC, 2006 Source IDC, 2009 Future datacenters dominated by energy cost; half energy spent on cooling Unerwartete Energiekosten Innovative Lösungen sind plötzlich der Marktvorteil. 24 Source: Bruno Michel IBM
IT: Green Datacenter Flüssige Kühlung Secondary Air Cooled Long distance transport possible Direct attached micro-channel cold plate Primary Liquid Cooled IBM Data Center Aquasar Inauguration at ETH May 6, 2010 Abwärme am Ort der Entstehung auf höchstem, noch nutzbaren Niveau abführen. 25 Source: Bruno Michel IBM
Internationales Projekt (IEA SHC) Was ist EINSTEIN? EXPERT SYSTEM FOR AN INTELLIGENT SUPPLY OF THERMAL ENERGY IN INDUSTRY - Standardisierte Methodik zur Ausarbeitung energieeffizienter Lösungen für Produktionsprozesse - Unterstützung für die Auswahl und Integration von erneuerbaren Energien - Ziel: Signifikante Senkung der Betriebskosten. Es braucht gemeinsame Anstrengungen zur Implementierung erneuerbaren Energien. 26 Source: IEA SHC Task 33, R. Battisti, C. Vannoni; Elimar Frank SPF
Capacity installed (kwth) Number of plants Solarthermische Energie für Prozesse Installierte Kapazität / Anzahl installierter Systeme (weltweit) Capacity installed (kwth) Number of plants 10000.00 1000.00 Total (2008) ca. 85 Anlagen ca. 20 MWth 25 20 15 100.00 10 10.00 5 1.00 Food Wine and Beverage Paper Tanning Malt Transport equipment Chemistry Other Desalination Textile 0 Geringe aber steigende Solarthermieanwendung für Prozesse & Dampferzeugung. 27 Source: IEA SHC Task 33, R. Battisti, C. Vannoni; Elimar Frank SPF
Solar-Kollektoren für Prozesswärme Verfügbarkeit in Funktion der Austritts-Temperatur? Flachkollektoren (bis 80 C) 80 bis 250 C Parabolrinnen (400 C) - Angepasste Flachkollektoren - (Angepasste) Vakuumröhren Temperatur - Stationäre konzentrierende Kollektoren - Konzentrierende Kollektoren mit Nachführung Solar-Kollektoren für Prozesswärme im Bereich 80-250 C sind in Entwicklung. 28 Source: Elimar Frank SPF
Erneuerbare Energien für Prozesse Wärme Strom Transport Neue wachsende Märkte Industrielle Solarenergienutzung (80-250 -400 ) Geothermie Wasserkraft Wärmepumpe Wasserstoff/Brennstoff Zelle (liquid, gaseous) Wind Photovoltaik Photoelektrochemie Biomasse, Holzenergie Verfügbarkeit und Einsatz der Erneuerbaren ist steigend und hat Marktpotenial. 29 Source: IEA SHC Task 33, R. Battisti, C. Vannoni; Elimar Frank SPF
Monitoring und Impulse Zielkatalog laufend Wunsch kommend laufend Wunsch kommend Wunsch Impulse durch Stakeholder kommend laufend Wunsch 30
Wir sind gefordert neue Lösungen zu erfinden, zu testen und zu implementieren Das Volumen der Schweizer Gletscher...hat allein in den letzten 10 Jahren um 12% abenommen! 1880 2004....sonst wird noch schneller Wärmegetauscht. 31
Bundesamt für Energie Forschungprogramm IP Industrielle Prozesse Verfahrens- & Fertigungstechnik Martin Pulfer Bundesamt für Energie Effizienz Erneuerbar Abwärme Michael Spirig Dr. Michael Spirig Fomen a AG Fomenta AG Fomenting Energy & Technology Strategy - Concept - Management Fomenting Energy & Technology Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und Ihr Engagement 32