Exergi utnyttelse av spillvarme

Transkript

1 RAPPORT Exergi utnyttelse av spillvarme Kunder: cense Vest-Agder Fylkeskommune Aust-Agder Fylkeskommune Eyde-nettverket

2

3 FORORD Spillvarme som ressurs Denne rapporten er resultatet av et kartleggingsprosjekt som ble initiert av Eydenettverket 1 og gjennomført av Teknova AS 2. Prosjektet er en potensialundersøkelse av spillvarmekilder hos noen av de største forbrukere av energi på Sørlandet, og en state of the art kartlegging av teknologi innen utnyttelse av denne spillvarmeenergien spesielt med henblikk på å omdanne varme til elektrisitet. Estimater av potensialer ble så brukt til å legge frem et prosjektforslag til et konsortium av bedrifter, akademia og forskningsinstitusjoner om en søknad om prosjektmidler fra Norges forskningsråd. Av grunner som fremlegges i rapporten ble denne søknaden ikke sendt inn til forskningsrådet i denne omgang, men det betyr ikke at utnyttelse av spillvarme til elektrisitetsproduksjon hos noen av bedriftene i konsortiet ikke er potensielt lønnsomt. Til den som ikke ønsker eller vil ta seg tid til å lese hele rapporten, anbefales det at delkapittel 1.1 og hele kapittel 4, 5 og 6 leses. Disse er relativt korte og inneholder essensen i rapporten. Kapittel 1, 2 og 3 inneholder teori for utnyttelse av spillvarme, og informasjon og data fra kartleggingsstudiet av teknologi og spillvarmekilder. I "Nytt fra RENERGI" nr 4/2009 som utgis av Forskningsrådet står det på side 3 i web-utgaven: "Industrivirksomhet står for om lag 30 prosent av verdens totale sluttbruk av energi. Energieffektivisering er en nøkkelfaktor for å få et bærekraftig energisystem og et av de viktigste midler for å redusere utslippene av klimagasser. Ifølge IEA (International Energy Agency) må energieffektivisering stå for mer enn halvparten av reduksjonen i klimagassutslipp dersom de internasjonale klimamålene skal nås i løpet av de to neste tiårene". I samme tidsskrift blir elektrisitetsproduksjon fra spillvarme pekt ut som en av veiene til lavere energibruk. Denne rapporten er et bidrag i den utpekte retningen. Teknova har fått god hjelp av flere partnere i prosjektet, og ønsker spesielt å takke: Prosjektmidler bevilget fra CenSE, Aust- og Vest-Agder Fylkeskommune og Eydenettverket Danmarks Tekniske Universitet ved B Elmegaard som har gitt faglig støtte og beskrivelse av 'state of the art' innen teknologi for utnyttelse av spillvarme. DTU har også bidratt med programvare for beregning av mengde elektrisitet (kw) man kan få ut fra spillvarmekilder. IRIS som har hatt ansvar for teknologidelen i prosjektet Informasjon og hjelp fra 3B, Alcoa, Eramet, GE Healthcare, Saint-Gobain og Xstrata. Disse bedriftene har satt av 50 timer av sin egen tid og stilt data til disposisjon for denne undersøkelsen og rapporten. Foruten DTU og IRIS har det vært kontakt og deltakelse fra de akademiske institusjonene HiB, HiT, UiA og UiS

4 4 Spillvarme Innholdsfortegnelse Spillvarme som ressurs Innledning Mål Beskrivelse av problemet Finansiering av undersøkelsen/forprosjektet Prosjektgruppen Teori Termodynamikk Elektrisk energi Dampturbin Dampmotor Stirlingmotor (Organisk)Rankinesykel Kalina-syklus Termoelektrisk effekt Høytemperatur varmeenergi og trykkenergi Varmepumpeteknikk Trykkenergi Exergibasert prosessoptimalisering Beskrivelse av spillvarmekildene til bedriftene Eramet B Fibreglass Alcoa Lista Xstrata Saint Gobain Lillesand og Eydehavn GE Healthcare, Lindesnes Andre Bedrifter Spillvarmekildene sett under ett Diskusjon og konklusjon Forprosjektmål Grunnlag for hovedprosjekt... 35

5 Innledning 5 5 Veien videre Konklusjon Vedlegg Vedlegg Vedlegg

6 Innhold 6 1 Innledning 1.1 Mål Det primære målet med denne rapporten er å presentere en kartlegging av spillvarmekilder hos utvalgte prosessbedrifter på Sørlandet. Dette brukes så til å gi kvalifiserte vurderinger av mulighetene for å utnytte denne energien på en økonomisk forsvarlig måte. Sekundært har målet vært å danne grunnlag for redusert forbruk av energi ved å danne grunnlag for et større prosjekt. I dette fulle prosjektet skulle det utvikles ny og bærekraftig teknologi som omdanner lavtemperatur spillvarme ( C) og andre vanskelig utnyttbare spillvarmekilder til elektrisk kraft hos den kraftkrevende industrien i Norge. Dette var tenkt oppnådd via en søknad til Norges forskningsråd om midler til et hovedprosjekt med ramme på millioner kr der partnere fra konsortiet som er dannet i dette (for)prosjektet går inn. 1.2 Beskrivelse av problemet All prosessindustri har behov for temperaturkontroll som kjøling og oppvarming i prosessene. Dette har sitt utspring i at de fysiske eller kjemiske reaksjonene foregår best ved bestemte temperaturer, og at disse reaksjonene har store eller små ekso- eller endotermer. Dette er igjen årsaken til at alle industribedrifter har spillvarme der vann, damp, gass eller strålingsvarme er energibærerne. Disse varmekildene er energiformer av relativt lav kvalitet sammenlignet med den energiformen som var utgangspunktet, f. eks. elektrisitet eller forbrenning av hydrokarboner, og er derfor vanligvis umulig å utnytte effektivt. I industrien benyttes ofte deler av varmeenergien fra prosessene til oppvarming av f. eks. andre prosesser, råvarer eller forbrenningsgasser, lokaler eller til fjernvarme. Dette er den mest energieffektive metoden, men normalt går den vesentlige deler av varmen til spille ved oppvarming av sjø eller luft, og er da tapt til omgivelsene. Dette kalles da spillvarme, og denne tapte energien gir ressurstap som kan måles i penger eller CO 2 -ekvivalter, og gir ikke noe salgbart produkt. Det finnes flere måter å redusere dette energitapet på. Å utvikle mer effektive prosesser som produserer mindre spillvarme går til roten av problemet, mens termoisolering av utstyr og bedre utnyttelse av spillvarmen internt i bedriften er andre effektive metoder. Varmeenergien kan også utnytes i varmepumper eller til fjernvarme. Bortsett fra energieffektivisering av prosessene som alltid er under utvikling, er alle metodene nevnt ovenfor modne teknologier som delvis er hyllevare. Denne forstudien er derfor en undersøkelse av potensialet for å utnytte spillvarme for å produsere strøm eller annen høyverdig energi fra spillvarmen. Utnyttelse av spillvarme som energikilde for elektrisitetsproduksjon blir mer og mer aktuelt med økende energipriser og den pågående klimakrisen. Firmaer som Single Phase Power og Opcon er inne på dette markedet med stirlingmotorer, og Norges forskningsråd finansierer allerede et større KMB-prosjekt som kalles ROMA. Dette prosjektet ser på å benytte Kalina-prosessen med superkritisk CO 2 som arbeidsmedium for omdannelse av varme til elektrisitet. Forklaring av prinsipp for blant annet Stirling og Kalina -motorer gis senere i rapporten. Produksjonsbedrifter vil alltid ha prosesser som gir spillvarme. Dette medfører tap av energi til omgivelsene som bør være minst mulig både av hensyn til bedriftens økonomi og miljøet, og hvis det er mulig å gjenvinne deler av spillvarmen, bør potensialet for dette undersøkes. Dette er illustrert i figur 1.1 nedenfor:

7 Innledning 7 Figur 1-1: Illustrasjon av energiforbruk i en bedrift. En oversikt av energien i spillvarmekildene hos bedriftene i konsortiet sammen med noen bedrifter fra Vestlandet er gitt i tabellen nedenfor. Her er også gitt et estimat for hvor mye av denne energien som kan gjenvinnes i form av elektrisk kraft ved bruk av teknologi som man i dag tror at kan utvikles. Tabell 1:1 Oversikt over energiforbruk og estimat for utbyttbar energimengde(exergi) til bedriftene i konsortiet sammen med noen Hydrobedrifter. Tallene i tabellen er kvantifisert ned til de enkelte spillvarmekildene fra de enkelte bedriftene senere i rapporten. Medium T høy ( C) T lav ( C) Mengde (kg/s) Energiforbruk (GWh/år) Tilgjengelig Exergimengde (GWh/år) Vann Damp Gass Produkt og slagg Hydro (avgass) Energimengden til spillvarmen hos konsortiet sammen med noen bedrifter fra Vestlandet beregnes altså til å være på over 7000 GWh/år. Dette utgjør godt over 2 % av Norges totale energiproduksjon, eller en kostnad på 2,3 mrd kr/år med 30 øre/kwh for bedriftene. Bruk av beregningsverktøy og en del antakelser presentert i denne rapporten gir at 5 % av denne energien potensielt kan gjenvinnes som elektrisk kraft. Dette tilsvarer en besparelse i energiutgifter for bedriftene på 115 mill kr/år. Da er ikke utgifter som til for eksempel forskning, utvikling, avskriving av utstyr og drift tatt med i beregningen. Under arbeidet med dette kartleggingsstudiet ble det funnet en rapport fra februar 2009 fra Enova i regi av Norsk Industri i samarbeid med NEPAS med oppdragsnavn "Potensialstudie for utnyttelse av spillvarme fra norsk industri" 4. Der beskrives spillvarmekilder til en rekke bedrifter i Norge, og presenteres et excelbasert program som er en veileder i for utnyttelse av spillvarme 5. Enova- 3 Tall beregnet for Hydro på Sunndal. Det er antatt at anleggene på Karmøy, Årdal og Høyanger er like store. Mengde exergi fra spillvarme hos Hydro er satt til 5 % av spillvarmeenergien. 4 Rapporten er tilgjengeliggjort og kan lastes ned på Enovas nettsted - se 5 Et eksempel på dette er beregningen at en spillvarmekilde på 27 kg/s på 90 C med tilgjengelig kjølevann på 10 C vil kunne gi en elkraftproduksjon på 1,8 GWh/år med en tilbakebetalingstid på 4 til 5 år ved kraftprisen

8 8 Spillvarme rapporten konkluderer blant annet med at dagens teknologi har praktiske nedre grenser for teknisk/økonomiske anvendelser på: For kraftproduksjon i dampturbin regnes en nedre grense på 3 bar damptrykk, eller ºC når dampen produseres fra væske eller avgass. For kraftproduksjon i Stirling-motor regnes en nedre grense på ca 70 ºC. For kraftproduksjon i ORC (Organic Rankine Cycle) regnes en nedre grense på ca 60 ºC. I den rapporten presenteres det detaljerte data for spillvarme hos bedriftene i konsortiet og et mye mer avansert program som beregner tilgjengelig mengde elektrisitet fra en varmekilde basert på bruk av termodynamikk laget av Danmarks Tekniske Universitet (DTU). 1.3 Finansiering av undersøkelsen/forprosjektet Det er blitt stort fokus på redusert energibruk i verden, og dette prosjektet føyer seg inn i denne trenden. Midler til dette prosjektet er derfor bevilget fra CenSE, Aust- og Vest Agder fylkeskommuner på henholdsvis , og kr. Midlene fra fylkeskommunene er bevilget ut fra "Energiplan for Agder", som kan leses i rapport 6 fra styringsgruppe nedsatt av fylkesutvalgene i Vest-Agder og Aust-Agder. Rapporten ble ferdigstilt Her står følgende beskrevet som hovedmål: Hovedmål: For å sikre en bærekraftig utvikling av vår landsdel, har energipolitikken som overordnet mål å sikre regionen et godt, bærekraftig og sikkert energisystem. Dette innebærer en bred energimiks en god og robust infrastruktur forutsigbare rammebetingelser økt miljøvennlig energiproduksjon For å bygge opp under hovedmålet for energipolitikken og de klima- og miljøforpliktelser som gjør seg gjeldende, har en formulert følgende sju mål for Agder: 1. Agder skal ha 20 prosent mer effektiv energibruk i Innen 2020 skal det produseres ytterligere 2 TWh fornybar kraft- og varmeproduksjon i Agder 3. Minst 60 prosent av oppvarmingsbehovet i Agder skal i 2020 kunne dekkes av andre energibærere enn elektrisitet og fossiltbrensel. 4. Utslippene av klimagasser fra transportsektoren skal reduseres med 20 prosent innen Agder skal ha en sterk, sikker og fleksibel regional energiinfrastruktur som tilfredsstiller det 21. århundre sine krav til forbruk, distribusjon og produksjon av energi. 6. Agder skal profileres som en bærekraftig region, der hensynene til energi og miljø vektlegges i den regionale politikken i Agder. 7. Sikre en bærekraftig utvikling av industrien i Agder 40 øre/kwh. Beregningen viser også at hadde spillvarmetemperaturen vært på for eksempel 70 C ville prosessen ikke vært lønnsom med dagens teknologi. 6

9 Innledning 9 Midler fra cense er gitt med utgangspunkt i deres mål om å bidra til forskning på fornybar energi, og skriver blant annet: (CenSe) will focus it's research activities on sustainable energy solutions, which means most efficient and environmental friendly combination of all available energy sources to acheive reliable and sustainable energy solutions 7. Prosjektet ble også tildelt kroner in cash fra Eyde-nettverket. I tillegg til dette har prosjektet fått inn midler som in-kind : Eyde-nettverket bidratt med kr mens hver av bedriftene var villige til å bidra med kr på denne måten som interntid. Prosjektmidlene har hovedsakelig gått til å bygge relasjoner og konsortiet, litt reising, kartlegging av spillvarmekilder og state of the art, kartlegge potensialer for utnyttelse av spillvarmekildene, søknadsskriving og denne rapporten. 1.4 Prosjektgruppen Prosjektmedlemmer Prosjektet er et konsortium av akademiske institusjoner, forskningsinstitutter og kommersielle miljøer. Dette har gitt god dekning av de aktuelle fagfeltene i tillegg til bidrag fra bedriftene som produserer spillvarme. Nedenfor er gitt en oversikt over prosjektgruppen: 7

10 10 Spillvarme Prosjektleder Thore Sørensen (Teknova) Eyde-nettverket Helene F. Fladmark Aust- og Vest-Agder Fylkeskommune Prosessindustri Agder Energi Universitet/ Høgskole Forskningsinstitutter Tinfos/Eramet Johnny Anker Strømland Knut Hoven UiS Mohsen Assadi IRIS Øystein Bø Erlend Randeberg 3B Fibreglass Stein Østbøll/ Rune Hals UiA Henrik Kofoed Nielsen Magne M. Våge Kongsberg Devotek Per H Kleven Xstrata Asbjørn Hilde/Nils G. Gjelsten HiB Nils-O Antonsen Teknova A G Imenes Saint Gobain G I Landmo T A Bekkedal Danmarks Tekn.Universitet H Carlsen, B Elmegaard GE Healthcare Arne Øvsthus HiT Bernt Lie Bjørn Glemmestad Alcoa Ronny Vatland Teknova har hatt ansvar for å lede prosjektet, bygge konsortiet, samle inn data fra industrien og er hovedforfatter av denne rapporten. Teknova har også ansvar for søknadsarbeidet til forskningsrådet om BIPmidler og beregninger av mengde utnyttbar energi fra spillvarmekildene. IRIS har ansvar for å beskrive aktuelle teknologier og 'state of the art' der DTU har vært sterkt involvert. Representantene fra prosessindustrien har gitt data og forklaringer på spillvarmekildene deres. DTU, HiA og HiT har bidratt med kommentarer under arbeid og deltatt i diskusjonsmøte, og her har spesielt DTU vært viktige. Agder Energi, Devotek, HiB og UiS har vært med av interesse for å bli med på et eventuelt hovedprosjekt.

11 Innledning 11 Kompetanse I tabellen nedenfor er gitt nøkkelkompetansen til prosjektmedlemmene fra akademia og forskningsinstitusjoner: DTU Teknova Person Prof H Carlsen B Elmegård T Sørensen S A Halvorsen A G Imenes Nøkkelkompetanse Stirling Motorer Termodynamiske sykler, exergiomvandling fra varme Kjemisk prosessteknologi, generell termodynamikk Matematisk modellering, Teknisk Fysikk, Numerisk Matematikk Teknisk fysikk Fornybar energi IRIS E Randeberg Seniorforsker (og medforfatter til rapporten) UiA N M Våge H K Nielsen Termodynamikk, prosessteknologi Energisystemer, termoelektriske generatorer HiB N O Antonsen Energiformer, energiteknologi, kuldeteknikk, teknisk varmelære, termiske maskiner, varmelære HiT B Lie Kybernetikk, Elektrisk enginering, Simuleringsteknologi, Prosesskontroll UiS M Assadi Energiteknikk, Termodynamikk, gass- og turbinteknologi, termisk design og optimisering Tinfos J A Strømland Energiforbruk og tap i prosessene Xstrata A Hilde Energiforbruk og tap i prosessene Saint Gobain G I Landmo Energiforbruk og tap i prosessene Alcoa R Vatland Energiforbruk og tap i prosessene 3B S Østbøll Energiforbruk og tap i prosessene GE Healthcare A Øvsthus Energiforbruk og tap i prosessene Til sammen danner dette solid kompetanse for vurderingen av spillvarmekildene og deres potensialer.

12 12 Spillvarme 2 Teori Nedenfor er gitt relevant teori for utnyttelse av spillvarme: 2.1 Termodynamikk Teorien for omvandling av varme til nyttbar energi bygger på termodynamiske prinsipper som ble utviklet for flere hundre år siden. Den mest grunnleggende termodynamiske lover kan beskrives ved: Energi er alltid bevart Spontane prosesser går alltid mot likevekt Varme går fra høy til lav temperatur Varme ved høy temperatur kan ikke konverteres til arbeid uten varmeoverskudd ved lav temperatur Moderne mekanikk og prosessteknologi kommer inn når termodynamiske prinsipper skal overføres til mekanisk utstyr. I forbindelse med energi og energikvalitet kan man dele opp energi i to deler, se ligning 2-1: Ligning 2-1 Energi = Exergi + Anergi Dette er en annen måte å utrykke andre hovedsetning gitt ovenfor. Exergi er den delen av energien som kan benyttes til arbeid, og representer for eksempel elektrisk eller mekanisk energi. Anergi er den delen av energien som "blir til overs". Dette er for eksempel varmestråling fra en bilmotor eller spillvarme med temperatur som ikke er vesentlig høyere enn omgivelsene. Selv om energi aldri kan forsvinne, er en annen måte å beskrive exergi og anergi på å kalle anergi den delen av energien som "ødelegges" eller tapes, mens exergi er den delen av energien som omformes til arbeid. Et viktig uttrykk i forbindelse med energi som kommer fra en varmereduksjon er hvor mye energi en fluidstrøm gir fra seg når den kjøles ned. Dette er gitt ved: Ligning 2-2 Energi Wh = C V T m (antall timer) Her er energi, som i SI-enheter er gitt i Joule [J] som er det samme som watt sekund [Ws], gitt som watt time. C V er varmekapasitet [J/kg K]. For eksempel er varmekapasiteten til vann større enn til luft, dette merkes når man går inn i en badstue ved 80 C sammenlignet med å skulle bade i vann ved samme temperatur. T = T høy - T lav er temperaturfall i prosessen (se figuren nedenfor) og m [kg/s] er masseflyt (for eksempel mengde vann som strømmer i et rør). En varmeenergimaskin som overfører energi til arbeid kan illustreres som gitt i figuren nedenfor:

13 Teori 13 Høytemperaturkilde (for eksempel spillvann) T høy Energi Anergi Exergi Arbeid Anergi Lavtemperatursluk ("heat sink") T lav Figur 2-1: Illustrasjon av varmeenergimaskin Et annet viktig uttrykk i termodynamikk som er nødvendig for å ha klarhet i energiomvandling av spillvarme til exergi er virkningsgraden η (etha). Dette gir teoretisk mål på hvor mye varme som kan omformes til exergi fra for eksempel spillvarme, og er gitt ved 8 Ligning 2-3 η ideell = 1 T lav T høy I ligningen ovenfor er temperaturene gitt i Kelvin. Uttrykket gir at hvis T lav = T høy blir virkningsgraden 0, mens hvis T lav << T høy blir virkningsgraden opp mot 100 %. Ligningen viser også at det er viktig å ha størst mulig forskjell på T lav og T høy for å få høyest mulig virkingsgrad. Den som ønsker en mer inngående forklaring av energiformer, exergi, anergi og termodynamisk virkningsgrad finner en god forklaring av de termodynamiske grunnbegreper og termodynamikkens 2. lov på norsk i henvisningene 9,10. I realiteten vil vi aldri oppnå så høy virkningsgrad som gitt i ligningen. Uttrykk for reelle virkningsgrader gir alltid lavere verdier, og et mye brukt uttrykk er Ligning 2-4 η reell = 1 T lav T høy Uttrykket ovenfor representerer det termodynamiske "tapet" av energi (egentlig effekt), i tillegg vil det i utstyr være mekanisk tap som friksjon og tap pga irreversibilitet ("tap av entropi"). Et rimelig anslag for dette tapet er at virkningsgraden må reduseres ytterligere med % i tillegg til tapet gitt i Ligning 2-4. I det følgende behandles prinsipper for omvandling av varme til exergi, der ulike temperaturområder, spillvarmemedier og effekter involverer ulike teknikker for energiomvandling. Herunder kommer teknologier

14 14 Spillvarme for elproduksjon basert på dampturbin, dampmotor, Stirlingmotor (og eksternt fyrt gassturbin), Organisk Rankine-syklus (ORC), Kalina-syklus og den mer eksperimentelle utnyttelsen av den termoelektriske effekten. Varmepumper av ulike varianter, inkludert absorpsjonsvarmepumper, er også aktuelle for omvandling til høytemperatur. Teknikkene representerer ulike modenhetsnivåer, og ved et eventuelt forskningsprosjekt vil det være vesentlig å kartlegge potensialene for de ulike industrielle anvendelsene som er relevante. De vanlige nyttbare energiformer som kan trekkes ut fra spillvarme i form av exergi og deres teknologier er listet nedenfor Elektrisk energi o Dampturbin (Rankinesyklus) o Dampmotor o Stirlingmotor o Organisk Rankinesyklus (ORC) o Kalinasyklus o Termoelektrisk effekt Høytemperatur varmeenergi o Varmepumpe Trykkenergi o Termokompressor Disse teknologiene er beskrevet nedenfor Elektrisk energi Bedriftene som er med på denne undersøkelsen har reduserte muligheter for å avsette mer av spillvarmen enn de allerede gjør til fjernvarme eller andre oppvarmingsbehov. Den mest praktiske og nyttige form for energi som kan trekkes ut fra spillvarmen er derfor elektrisitet eller varmepumpeteknologier. Prinsipper for dette er beskrevet nedenfor uten at det er gjort forsøk på å gi dype teoretiske forklaringer Dampturbin Dampturbinen (Rankine syklusen) benytter varme i form av damp, og er en meget velprøvd teknologi som benyttes i store anlegg (>1 MW el ). Elvirkningsgraden er på ca 30 % totalt for store anlegg og omtrent 10 % for små. Dampturbiner bør kjøres på jevn, høy last, og har tap i virkningsgrad som følge av slitasje på turbinen. Dette er en teknologi som er lite aktuell for exergiutnyttelse av lavtemperatur spillvarmekilder fordi virkningsgraden blir lav og arbeidsmediet (vann) har et høyt kokepunkt. 11 IRIS har hatt ansvaret for disse beskrivelsene

15 Teori 15 Figur 2-2: Entropi - temperaturdiagram for dampturbin (Rankinesykel). Rankinesyklen genererer ca 80 % av verdens elektriske kraft, og er en moden teknologi for høye temperaturer. Sykelen består av fire trinn; fordampning, ekspansjon som driver en turbin, kondensasjon og pumping. Dette er gjengitt i figurene ovenfor og nedenfor. Sirkuleringsvæsken, som vanligvis er vann, går gjennom en pumpe (1-2) som øker trykket, og spillvarmen (Q inn ) varmer så denne væsken under konstant trykk til tørr mettet damp (2-3). Den tørre dampen ekspanderer så gjennom en turbin som generer kraft (3-4). Den nå trykkreduserte fuktige dampen kondenseres så i en veksler (4-1) før den igjen går inn i pumpen. Figur 2-3: Illustrasjon av Rankinesykel

16 16 Spillvarme Dampmotor Dampmotoren er en velprøvd teknologi som var avgjørende for starten av den industrielle revolusjon. Som for dampturbin er det termodynamiske prinsippet en Rankinesyklus. Virkningsgraden er lav (6-8 %), og den egner seg til dellast og i små anlegg (<1 MW el ). På grunn av lav virkningsgrad er denne teknologien ikke aktuell for utnyttelse av spillvarme. Figur 2-4: Dampmotor Stirlingmotor Stirlingmotoren bygger på syklisk kompresjon og ekspansjon av et fluid som driver et stempel. Kilde: Wikipedia Figur 2-5: Eksempel på en Stirlingmotor 13. Stirlingmotoren følger i prinsippet Carnot-syklusen, og har derfor teoretisk potensial til å gi høyest mulig virkningsgrad. Men per i dag foretrekkes andre metoder (rankine) for høye temperaturer. Stirlingmotoren er en stempelmotor med lukket syklus, ekstern varmetilførsel og arbeidsmedium er ulike gasser (luft, He, H 2 ). Mange typer varmekilder kan brukes, og lavtemperaturanvendelser er aktuelle og til dels kommersialisert (for eksempel firmaet Single Phase Power). Virkningsgraden er avhengig av spillvarme- og kjølevannstemperatur. Eks. 70/10 C: ~9 % og 140/10 C: ~16 %. Prinsippet gir en effektiv prosess, men er (foreløpig) begrenset til små anlegg (noen hundre kw el ). Selve prinsippet med Stirlingmotor er en moden teknologi, men det gjenstår fremdeles mye FoU-arbeid for effektivisering av denne innen lavtemperaturkilder. Dette er en aktuell teknologi for utnyttelse av spillvarme. 13

17 Teori 17 Eksternt fyrt gassturbin (EFGT) er en teknikk som er beslektet med Stirlingmotoren. Ved høyere effekter og temperaturer vil det være mer aktuelt å benytte en turbin enn stempelmotor. På denne måten kan eksternt tilført varme (fra forbrenning eller spillvarme) benyttes til å drive en lukket syklus. Se for eksempel henvisning 14. Noen av fordelene med Stirlingmotoren og EFGT er at disse teknikkene ikke trenger høykvalitets brensel, og at de egner seg for små anlegg, men en ulempe er at de arbeider under høyt trykk, noe som setter store krav til tetningsmaterialer (foringer og lignende) (Organisk)Rankinesykel Organisk Rankine sykel (ORC) bruker en organisk væske istedenfor vann, som i tradisjonell Rankinesykel. Prinsippet for Rankinesykelen er illustrert i Figur 2-3. Den organiske væsken gjør at kokepunktet kan reguleres til for eksempel C, og derfor kan tilpasses varmekilden. ORC kan dermed utnytte varmekilder ned til C med en rimelig virkningsgrad. Dette er en umoden teknologi, og aktuell for exergiutnyttelse fra spillvarmekilder. Sykelen er relativt vedlikeholdsfri med liten slitasje på mekaniske deler, men det brukes vanligvis giftige stoffer som sirkulerende fluid. Elvirkningsgraden er opptil 18 %. Nedenfor er det gitt et termodynamisk diagram som illustrerer ORC. Dette kan sammenlignes med figuren for konvensjonell rankinesykel gitt i figur Figur 2-6: Temperatur-entropi diagram for Organisk rankinesykel som kan sammenlignes med konvensjonell Rankinesykel i Figur Kalina-syklus Kalina-syklusen (se figuren nedenfor) er en Rankine-syklus med multikomponent arbeidsmedium (oftest H 2 O/NH 3 ). Dette gir fordampning og kondensasjon over et stort temperaturområde fordi forholdet mellom vann og ammoniakk forandres under fordampnings- og kondensasjonsprosessen. Prosessen har utfordringer knyttet til kondensering/sirkulering av blandingen, men det er også selve blandingen som gir effektivitetsgevinst. Denne gevinsten er knyttet til bedre samsvar mellom varmekildens temperatur og 14

18 18 Spillvarme prosesstegene. Prosessen er allerede benyttet til spillvarmebasert og geotermisk kraftproduksjon, men er en umoden teknologi der det gjenstår mye FoU-arbeid. Figur 2-7: Skisse av Kalinasyklusen, her gitt med geotermisk energi som varmekilde Termoelektrisk effekt Utnyttelse av termoelektrisk effekt til elproduksjon skjer ved utnyttelse av fysiske prosesser (Seebeck-effekt) der en temperaturforskjell genererer en spenning. Kommersiell utnyttelse av teknologien til varmegjenvinning er foreløpig på utviklingsstadiet, med en rekke materialteknologiske og andre utfordringer. Potensialet for teknikken er imidlertid stort, med betydelig fleksibilitet når det gjelder form for spillvarmekilde. Foreløpig finnes bare småskala prototyper som utnytter effekten. Virkningsgraden er dessuten for lav til at industriell utnyttelse er aktuelt foreløpig. 2.3 Høytemperatur varmeenergi og trykkenergi I tillegg til elektrisitet kan nyttig energi (exergi) trekkes ut fra en spillvarmekilde ved varmepumpeteknikk og termokompressorer. Dette kan være mer aktuelt for bedriften og gi høyere effektiv virkningsgrad enn elektrisitetsproduksjon hvis dette er energiformer som er nyttige for bedriften. Nedenfor er prinsipper for disse teknikkene gitt Varmepumpeteknikk Varmepumper er en moden teknologi som kan omvandle energi fra en lavtemperatur spillvarmekilde til høyere temperatur. Dette er aktuelt for fjernvarme eller til intern bruk i prosessene. Metoden krever at mekanisk (elektrisk) energi må tilføres, og varmefaktor kan være over 3. Varmefaktoren er et tall som beskriver forholdet mellom tilført energi og utvunnet varmeenergi. En varmefaktor på 3 betyr altså at det man får ut tre ganger så mye energi som man tilfører. 2/3 av energien er derfor ren fortjeneste etter at utstyret er betalt. Nedenfor er det gitt en illustrasjon av en varmepumpe. 15 poweralternatives.com

19 Teori 19 Det finnes en rekke teknologier for varmepumper, og varme som leveres og hentes ut av syklusen kan være i ulike medier. Det foregår omfattende FoU-arbeid med å forbedre effektivitet og redusere kostnader. For leveranse til fjernvarme er varmefaktoren typisk 2,6-3,0, avhengig av temperaturen på spillvarmekilden og temperaturløftet. Figur 2-8: Skisse av prinsipp for varmepumpe som er beskrevet nedenfor 16. Beskrivelse av varmepumpen gitt ovenfor: 1. I fordamperen overføres varme fra omgivelsene (for eksempel sjøvann eller grunnvann) til kuldemediet. Kuldemediet er her i en tilstand som gjør at det koker ved lav temperatur (f.eks. 1-2 C). 2. Kompressoren trekker dampen opp fra fordamperen. I kompressoren økes trykket på kuldemediet, og derved også temperaturen. Det er driften av kompressoren som krever strøm fordi trykkøkningen skjer ved at kompressoren utfører et arbeid på dampen. 3. Etter å ha blitt komprimert føres den varme dampen inn i en kondensator hvor varme avgis til det vannet som skal varmes opp [for eksempel spillvarmen]. Dampen avgir varme ved at det skjer en kondensering, altså at dampen går over til væskeform. 4. Den varme væsken strømmer gjennom en strupeventil hvor både trykk og temperatur reduseres. I denne prosessen kommer kuldemediet i en blandingsfase mellom væske og damp, og en blanding av kald væske og damp strømmer ned i fordamperen for en ny runde. Kuldemediet i en varmepumpe kan være for eksempel ammoniakk, karbondioksid eller andre kjemiske forbindelser som er spesielt godt egnet for de aktuelle temperaturforholdene. I tillegg til konvensjonelle mekaniske varmepumper finnes absorpsjonsvarmepumper. Her benyttes en varmekilde med høy temperatur i tillegg til en varmekilde ved lav temperatur. I denne applikasjonen absorberes arbeidsmediet i en væske før komprimeringen, slik at mindre mekanisk energi behøves for å 16

20 20 Spillvarme komprimere arbeidsmediet sammenlignet med en mekanisk varmepumpe. Høytemperaturvarme kreves for å skille arbeidsmediet fra væsken. Det finnes også hybride varianter av kompressor- og absorpsjonsvarmepumper Trykkenergi En termokompressor øker temperatur eller trykk på damp; den komprimerer damp fra lavt trykk til et høyere trykk ved bruk av steam ved et høyere trykk enn hva dampen har. Mesteparten av spillenergien i damp er form av latent varme, og slik utnyttelse kan være effektiv varmegjenvinning. Nedenfor er det gitt en figur av dette. Figur 2-9: Skisse av termokompressor 17 Termokompressorer er billige, enkle, små og uten bevegelige deler. 2.4 Exergibasert prosessoptimalisering Danmarks Tekniske Universitet (DTU) innehar verdensledende kompetanse innen energibasert prosessoptimalisering. I dette underkapitlet er det gjengitt hva seksjon for Termiske Energisystemer presenterte i et møte 1/ innen dette emnet. DTU jobber bl.a. innen exergiøkonomi, der de bruker termodynamiske modeller for å beregne mengde elektrisitet som kan utvinnes fra en varmekilde. De har pinchanalyser som er en optimaliseringsmetode for energiutnyttelsen i prosesser, og optimal gjenvinning av overskuddsvarme til oppvarming. En slik exergianalyse kan brukes til å optimere alle spillvarme- eller spillmassestrømmer, og ser på alle muligheter for å utnytte denne til elektrisitet eller varme. Et eksempel av mengde effekt som kan fås ut av en prosess som funksjon av temperatur er gitt i figuren nedenfor: 17

21 T ( C) Teori Q (kw) Figur 2-10: Eksempel på data fra en pinchanalyse med pichtemperatur 15 C. Effekt gis som funksjon av temperatur på spillvarmekilde I følge DTU, får man ved en exergianalyse der grunnleggende termodynamikk, kvaliteten på energien og hensyn til både termisk, potensiell og kjemisk energi, følgende opplysninger: Exergianalyse vil kunne danne grunnlag for å vurdere alle muligheder for gjennvining av spillvarmeenergi De undersøkte prosesser for utnyttelse (turbiner, motorer, ) kan tas inn i analysen Økonomi, klima eller andre kriterier kan inkluderes Modellerings- og analyseverktøy tilgengelige på DTU og kan leveres som en del av projektet til partnerne Et forenklet verktøy som beregner hvor mye effekt som elektrisitet man kan få ut av en varmekilde kan lastes ned fra Et eksempel på en beregning er gitt i figuren nedenfor:

22 22 Spillvarme Exergi og anergi beregninger på spillvarme: Tilgang m = 10 [kg/s] p in = 1 [bar] t in = 90 [C] Medie Vand Energitilførsel Q = 2930 [kw] Spildvarmetilførsel Afgang p out = 1 [bar] t out = 20 [C] Energitab Q tab = 418,4 [kw] Reference Exergiudnyttelse ex = 0,7 Exergitilførsel E = 392,4 [kw] Elproduktion W = 274,6 [kw] p 0 = 1 [bar] t 0 = 10 [C] Anergitilførsel A = 2538 [kw] Exergitab E dest = 117,7 [kw] Figur 2-11: Resultat av exergianalyse fra DTU sitt forenklede program som bygger på termodynamiske prinsipper. Verdiene man setter inn er rammet inn. Utfyllende forklaring er gitt nedenfor. I figuren ovenfor er spillvarmekilden satt inn som vann med verdier masseflyt 10 kg/s, inngående temperatur 90 C og trykk 1 bar. Dette veksles mot en kjølekilde satt til 10 C som gir utgående temperatur på spillvarmekilden satt til 20 C. Den siste verdien som må settes inn er exergiutnyttelsen η ex som i eksemplet er satt til konservative 0,7 (70 %). Den termodynamiske beregningen gir Teoretisk virkningsgrad 19 % (Ligning 2-3) eller Teoretisk virkningsgrad 10 % (formel 2-4) eller Beregningen til dataprogrammet exergi.exe gir at denne spillvarmekilden kan produsere 275 kw som gir en total virkningsgrad på 275 kw/ 2930 kw = 9 %. Videre beregner programmet energi.exe at 275 kw timer/år = 2,4 GWh/år. Hvis det settes inn en strømpris på 0,30 kr/kwh gir dette besparelsen [2,4 GWh/år] * [0,30 kr/kwh] = 8 mill kr/år.

23 Teori 23

24 24 Spillvarme 3 Beskrivelse av spillvarmekildene til bedriftene I dette kapittelet er data på spillvarme og opplysninger på dette som er gitt fra bedriftene gjengitt. Innholdet er delvis skrevet av personene fra bedriftene selv (se konsortieoversikt i kapittel 1.4). Opplysningene er samlet inn via , telefoner og i fellesmøte 1/ med de industrielle samarbeidspartnerne. I tillegg ble det gjennomført bedriftsbesøk til Eramet (1/ med Johnny Anker Strømland), 3B Fibreglass (26/ med Svein Østbøll) og Xstrata (26/ med Asbjørn Hilde og Ernst Rosseland). I tabellen nedenfor er det gitt samlet data fra bedriftene i dette prosjektet på energiparametere som angår spillvarme som ikke benyttes til andre formål i dag. Etter denne tabellen gis data og opplyninger om de enkelte bedriftene. Tabell 3:1 Data fra bedriftene. Bare data som er åpent gitt fra bedriftene er tatt med. *Mye av den totale spillvarmeenergien på 421 GWh/år går til fiskeoppdrett. **Energiforbruk i elektrisitet, i tillegg forbrennes det propan. Bedrift Totalt energiforbruk (GWh/år) Energi i ubenyttet spillvarme (GWh/år) Andel spillvarme tapt (%) Tinfos/Eramet - 140* 3B Fibreglass 36** 2 - Xstrata Nikkel Saint Gobain Lillesand GE Healthcare Metallkraft Saint Gobain Alcoa Eramet Ved Eramet (tidligere Tinfos) i Kvinesdal produseres det årlig ca tonn silikomangan (SiMn). Metallet er en legering med hovedbestanddeler mangan, silisium og jern. Silikomangan benyttes i stålindustrien for å fjerne oksygenet fra stålet, og for å gi stålet ønskede mekaniske egenskaper. Spesiallegering lavkull silikomagnan går hovedsakelig til rustfritt stål. Nedenfor er gitt data fra spillvarmekilder. Disse diskuteres nærmere etter tabellen. Tabell 3:2 Data gitt fra Eramet. Kildene er nærmere forklart nedenfor. Spillvarmekilde Medium T inn ( C) T ut ( C) C v (J/Kkg) Mengde (kg/s) Energimengde (GWh/år) Varmekraftverk Kjølevann ovner Kjølevann ovner Slaggkjølevann Gassrensing Resirkulert vann Metallkjøling Varmestråling ,4 47

25 Beskrivelse av spillvarmekildene til bedriftene 25 Energimengden som blir spillvarme hos Tinfos er beregnet av dem til å være 421 GWh/år. Av disse går det meste til fiskeoppdrett, dette kan derfor ikke brukes til exergi ekstraksjon, mens en annen del går til intern oppvarming av lokaler. De aktuelle kildene er derfor: Slagget ved 1200 C renner i ujevne strømmer ut av de tre ovnene til friluft (tømming ca hver 2. time fra hver ovn). Slagget oversprøytes med vann som går ned i en "seng" for så å pumpes ut av denne. Denne kjølemetoden gjør at slagget sprekker opp som ønskelig i små deler, men at 2/3 ved nedkjølingsenergien ikke tas vare på. Slaggkjølevann får en temperatur på C. Denne temperaturen er liten når det gjelder gjenvinning av energi i form av elektrisitet, men har et adskillig høyere potensial da vannet er brukt til å kjøle slagg fra 1200 C. I følge fabrikken er det ikke så mye som skal til for å øke denne temperaturen. o En meget omtrentlig beregning av mengde elektrisitet tatt fra energien fra metall- og slaggproduktet er at virkningsgraden kan bli så høy som 20 % på grunn av god delta T. Med exeregiutnyttelsesgraden satt til 70 % blir total virkningsgrad 14 %. Dette gir elektrisitetsmengden ( ) GWh/år 14 % = 12 GWh/år. Resirkulert vann fra gassrensing har en temperatur på 55 C. Dette er også lavt, og potensialet ligger derfor i at gassen som renses for partikler har en temperatur på 400 C. Det kan være aktuelt for bedriften å bygge dette anlegget om da dagens prosess og skrubbere ikke er spesielt gode. o Et løselig anslag er at temperaturen på dette vannet kan økes til 90 C ved å senke mengdeflowen med 75 % til 20 kg/s. Dette gir, i følge beregningsvertøyet effekten 550 kw elektrisitet når det antas at vannet kjøles til 40 C i prosessen. I energi tilsvarer dette 4 GWh/år. Alt i alt ser det ut til å være gode muligheter for å få til en kostnadseffektiv produksjon av elektrisitet fra bedriften, men det vil kreves nærmere kartlegginger av muligheter for å øke temperaturer, rense spillvann for partikler før vekslere og fange opp varmeenergi fra varmt metall og slagg. I tillegg til potensialer til utnyttelse av kjølevann er potensialet i størrelsesorden elektrisitet tilsvarende GWh/år hvis nedkjøling av produktet ikke tas med i regnestykket. Dette tilsvarer en strømkostnad på omtrent 16 GWh/år 0,30 kr/kwh = 5 mill kr/år. Det er derfor et grunnlag her for å se nærmere på utnyttelse av spillvarmekilder og beregninger hos Eramet for å få bedre data. I tillegg er spillvarmekildene er vanskelig å utnytte, og et FoU-løp er derfor nødvendig for å kunne omvandle spillvarmen til elektrisitet B Fibreglass 3B på Birkeland i Aust-Agder produserer glassfiber, og smelter derfor kvarts og andre mineraler ved hjelp av strøm (36 GWt/år) og forbrenning av propan i både luft og ren oksygen. Smelteprosessen foregår ved 1500 C. Fra den strømmer det varme avgasser via to skorsteiner som avgass, og to 'stacker' (kanal 1 og kanal 2) som avgass fra glasskanaler som gjengitt nedenfor. Som primærkjølevann benyttes en lukket vannkrets som holder ca. 28 C. For å holde denne temperaturen benyttes varmevekslere som kjøles med grunnvann på ca. 10 C.

26 26 Spillvarme Skorsteiner, smelteovn Smelte Recuperator varmeveksler kanal1 og Recuperator varmeveksler kanal 2 og Figur 3-1: Skisse av prosessen med spillvarmekilder hos 3B. I Smelteovnen (oransje) smeltes kvarts og andre mineraler. Smelten går så ut i to glasskanaler (blått) hvor glassfiberen trekkes ut. Det lilla området er en ovn som ikke er i drift. De varme gassene fra kanal 1 og 2 går først gjennom en recuperator hvor det tas ut varmluft som sendes til tørkeovnene. Denne luften holder ca. 350 C. Deretter veksles avgassen fra recuperatoren i en luft/vannveksler. Inn og ut fra kanal 1 har luften til veksleren hhv 213 og 160 C mens kanal 2 gir hhv 422 og 155 C på inn og ut. Vanntemperatur inn er avhengig av forbruket, men settpunkt ut er 91 C for kanal 1 og 95 C for kanal 2. Dette gir varmt vann til gassfordampere/oppvarming på 95 C i et lukket system. Gassene fra kanal 1 og 2 forlater bedriften ved 150 C. Avgassen fra tørkeovnene er på ca 100 C og deler av denne benyttes til forvarming av ventilasjonsluft. I forbindelse med kjølevannet til smelteovnen og tilhørende utstyr er det varmevekslere. Det er også et lukket system med kjølevann, og for å holde dette vannet på ønsket temperatur går det gjennom varmevekslere hvor det benyttes grunnvann på sekundærsiden. Dette vannet holder ca. 10 C inn og ca. 23 C ut fra veksler. Det oppvarmede vannet ved C fra kanal en og kanal to sendes via en ledning ut til oppvarming av kommunehus og nærliggende industribedrifter. Røkgassen som inneholder omtrent 2 GWh/år fra smelteovnen gjenvinnes ikke. Hovedgrunnen til dette er at gassen inneholder partikler som potensielt tetter varmevekslere, og at det ikke er behov for denne energien ved bedriften. Men det er her hovedpotensialet for energigjenvinning for dette prosjektet ligger, og det finnes teknologier som er brukbare på avgasser med partikler.

27 Beskrivelse av spillvarmekildene til bedriftene 27 Tabell 3:3 Data fra 3B. Som "heat sink" er grunnvann ved 10 C satt inn. Energi fra gassene fra kanal 1 og 2 benyttes i dag til intern oppvarming, tørking av produktet og fjernvarme, mens avgass fra smelteovn er ren spillvarme. Spillvarmekilde Medie T inn (C) T ut (C) C v (J/Kkg) Mengde (kg/s) Energimengde (GWh/år) Avgass smelteovn CO 2 +H 2 O ,4 2,0 Gass kanal 2 CO 2 +H 2 O+N ,2 7,4 Gass kanal 1a CO 2 +H 2 O+N ,3 1,7 Gass kanal 1b CO 2 +H 2 O ? 0,1 Energien som går til spille hos 3B kommer vesentlig fra avgass til smelteovnen. Nedenfor er beregningen for mengde tilgjengelig energi vist: Tilgang m = 0,4 [kg/s] p in = 1 [bar] t in = 900 [C] Medie Luft/gas Energitilførsel Q = 224,8 [kw] Spildvarmetilførsel Afgang p out = 1 [bar] t out = 400 [C] Energitab Q tab = 160,7 [kw] Reference Exergiudnyttelse ex = 0,7 Exergitilførsel E = 154,4 [kw] Elproduktion W = 108,1 [kw] p 0 = 1 [bar] t 0 = 10 [C] Anergitilførsel A = 70,4 [kw] Exergitab E dest = 46,31 [kw] Beregnet mengde elektrisitet er altså 108 kw som gir 108 kw timer/år = 950 MWh/år. Teoretisk virkningsgrad blir altså på hele 0,95 GWh/2 GWh = 47 %. Men en feilkilde er at det i beregningen fra programmet er brukt varmekapasitet fra luft med varmekapasitet på ca 1000 J/K kg mens det i prosesser er gass av vanndamp og CO 2 med varmekapasitet på 700. Verdiene må derfor skaleres med 700/1000 = 70 %. Dette gir tilgjengelig mengde elektrisitet på 95 MWh/år 70 % = 67?? MWh/år som gir vikningsgraden 33 % som er høy, men mer realistisk. Dette vil gi en besparelse på 67 MWh/år 0,30 kr/kwh = kr/år. Denne undersøkelsen gir derfor lite grunn til å tro at det er noe potensial for å gjenvinne elektrisitet hos 3B. Men ut fra erfaringen om at det gjerne er mye mer enn 50 % av energien som går til spillvarme, kan en nærmere undersøkelse forandre på dette.

28 28 Spillvarme 3.3 Alcoa Lista Alcoa produserer aluminium, og energibalansen (fra år 2005) er gitt i figuren nedenfor. Energy in Energy out Loss while tapping, 1 Coal tar pitch, 105 Natural gas, 44 To the cast house, 120 Coke, 271 Aluminium, thermal, 30 Crucible loss, 5 Aluminium, chemical, Rectifier loss, 87 Electric power, 1701 Pot room gas, 920 Anode gas, 6 Paste plant, 4 Pot gas, 111 Support systems, 73 Figur 3-2: Energibalanse for Alcoa Lista (data fra 2005) gitt i GWh/år Tabellform av data gitt i figuren ovenfor er gitt nedenfor Tabell 3:4 Data på spillvarmkilder fra Alcoa Spillvarmekilde ΔT ( C) Energimengde (GWh/år) Andel av teoretisk potensial (1331 GWh/år) [%] Hallgass Ovnsgass Anodegass Støperi, ut av skorstein Støperi, kjølevann Tallene i tabellen ovenfor viser helt klart at det er gode muligheter for å gjenvinne spillvarme i form av elektrisitet hos Alcoa. Spesielt er ovnsgass og gass ut av skorstein fra støperiet aktuelle. Det er ikke gitt nok data til at beregningsverktøyet fra DTU kan benyttes. Et estimat er at 10 % av denne energien kan gi elproduksjon. Dette tilsvarer da [ ] GWh/år 10 % = 15 GWh/år til elektrisitet. I verdi gir dette 5 mill kr/år i besparelse. Hvis man også kan få ut 2 % av energien til hallgassen, tilsvarer dette ytterligere 5 mill kr/år i besparelse. Men dette siste er spekulativt, og vil kreve et ukjent beløp i investeringer, tid og mye FoU. 3.4 Xstrata Xstrata produserer nikkel, kobber, kobolt, edelmetaller og svovelsyre i en prosess som forbruker 0,5 % av Norges totale energiforbruk. Prosessen består av to hovedlinjer, og er vist i figuren nedenfor. Etter figuren er prosessen forklart nærmere, og data er samlet i tabell.

29 Innhold 29 Figur 3-3: Skisse av prosessen hos Xstrata Nikkelverk i Kristiansand. Nedenfor er prosessene og deres spillvarmekilder forklart nærmere. Prosessen starter ved at råmaterialet, matte, knuses til et fint pulver før luting. Etter knusing av råmateriale og luting går det en strøm til nikkel- og koboltelektrolyse, mens den andre strømmen går til rostovnene for produksjon av svovelsyre, kobber og edelmetaller. I elektrolyseprosessene brukes mye elektrisitet, men da energiutbyttet er stort, blir det relativt lite spillvarme. Den nikkelholdige løsningen kjøles flere steder med sjøvann som får en temperatur på 60 C. Denne strømmen samles i ett rør og kan potensielt benyttes til exergiproduksjon. Ut fra rostovnene går den varme gassen til produksjonsanlegget for svovelsyre. Under denne produksjonen utvikles varme, og kjølevannet som benyttes blir da varmet opp til 90 C. Av den totale energimengden i dette

30 30 Spillvarme vannet (80 GWh/år), leveres 45 GWh/år som fjernvarme. Det resterende vannet (35 GWh/år) går i dag til sjø og kan potensielt benyttes til exergiproduksjon. Rosta gods er fast stoff og kommer ut fra rostovnene ved 80 C og kjøles ned med sjøvann for videre luting og produksjon av kobber og edelmetaller. Kjølingen produserer sjøvann med 60 C og kan potensielt benyttes til exergiproduksjon. Nedenfor er gitt data fra spillvarmekildene forklart ovenfor sammen med andre kilder: Tabell 3:5 Spillvarmedata fra Xstrata Nikkel. *Total energimengde 80 GWh/år fra gassrens/svovelsyreproduksjonen, men 45 GWh/år går til fjernvarmeanlegg. Dette gir at mengden vann i forbindelse med svovelsyreproduksjonen som kan benyttes til exergi er på 11 kg/s. Spillvarmekilde Medie T inn ( C) T ut ( C) C v (J/Kkg) Mengde (kg/s) Energimengde (GWh/år) Varme fra gassrens/ Vann * Svovelsyreproduksjon Trykkluftkompressorer Vann ,7 3 Gipsfelling Vann Elektrolytt Ni-løsn Autoklaver Damp Cementasjon KL-Løsning Luftkompressorene forbruker 8 GWh/år. Omtrent 80 % av denne energien går til spillvarme ved 50 C. I dag går denne varmen til sjø, men Xstrata ser muligheter for å bruke denne energien til oppvarming av verksteder som ligger like ved. Dampen som produseres kommer fra elektrisk dampkjel, og med en oljekjel som reserve. Fødevann forvarmes med kjølevann bl.a. fra likerettere. Kondensat resirkuleres. Damp benyttes hovedsakelig i autoklavlutingen, og ellers andre steder med oppvarmingsbehov. Damp fra autoklavluting benyttes til internt fjernvarmenett. Fra svovelsyreproduksjonen hentes det ut varme til fjernvarmenettet i Kristiansand. De største potensialene for elproduksjon hos Xstrata er: Teoretisk elproduksjon fra svovelproduksjonen er, i følge beregningsverktøyet presentert i kapittel 2.4, ca 240 kw når man setter inn temperaturene 90 og 40 C som inn og ut -verdier, kjølevann på 15 C og en mengde på 11 kg/s. Dette tilsvarer en vikningsgrad på 10 %. Dampen fra autiklaver på 140 C, og hvis man setter 20 C som T ut blir elproduksjonen på 2150 kw i følge beregningsvektøyet (kapittel 2.4). Dette blir 2150kW h/år = 2.2 GWh/år. Beregning av mulig elproduksjon fra cementasjon er usikker da trykket her er viktig. Hvis det antas at det ikke er noe trykkenergi, gir data at ved T inn = 110 C, T ut = 40 C at elproduksjonen blir på 6660 kw (og total virkningsgrad 6660 kw/43700 kw = 15 % som er mye). Vann fra trykkluftkompressorer, gipsfelling og nikkel-løsning har relativ lav temperatur, men teoretisk er det mulig å få ut, hvis man antar 30 C ut fra den termodynamiske sykelen, elproduksjonen 26 kw kw+ 270 kw = 426 kw. De tre punktene ovenfor gir til sammen 7300 kw effekt med elektrisitet. Dette tilsvarer 7300 kw (365 24) h/år = 64 GWh/år. Beregning av verdi gir da 64 GWh/år 30 øre/kwh = 19 mill kr/år der KL-løsningen bidrar mest. Ut fra disse beregningene er det et klart potensial for å gå inn med et prosjekt for exergiutnyttelse av spillvarme hos Xstrata.

31 Beskrivelse av spillvarmekildene til bedriftene Saint Gobain Lillesand og Eydehavn Saint Gobain sine bedrifter i Eydehavn og Lillesand produseres silisiumkarbider. Dette er en energikrevende prosess som gir store mengde spillvarme i form av luft og vann i følge bedriften. Som primærkjølevann benyttes sjø ved C og grunnvann som holder 10 C året rundt. Nedenfor er de data som bedriften har gitt fra seg gjengitt. Det er ikke så mye å bygge beregninger av potensialer på. Men det er på det rene at mengden spillvarme til luft inneholder store mengder termisk energi. Men denne energien/luften er vanskelig å samle sammen og er ved lav temperatur. Det er derfor knyttet store utfordringer til å gjenvinne elektrisitet fra spillvarmen hos Saint Gobain. Noen av disse utfordringene kan være like de som man kan ha generelt hos aluminiumsindustrien, med diffuse kilder og lave temperaturer. Tabell 3:6 Spillvarmekildene hos Saint Gobain. Det mangler mye informasjon, slik at estimater for energimengder og potensialer ikke kan beregnes. Spillvarmekilde Medie T inn ( C) T ut ( C) C v (J/Kkg) Mengde (kg/s) Energimengde (GWh/år) Varme fra ovnshusprosess luft Spillvarme trykkluft vann Varme fra el. Tørker luft Steam luft GE Healthcare, Lindesnes GE Healthcare på Lindesnes produserer 45 % av verdens røntgenkontrastmidler. Og som i nesten all farmasøytisk produksjon er store deler av prosessene batchvis. Dette gir derfor ujevne strømmer av spillvarme fra mange kilder. Dette gjelder både på minutt, time, døgn og ukenivå, og for eksempel ved produksjonsstans i ferier. I tabellen nedenfor er gjengitt data fra spillvarmekildene som gitt av bedriften. Tabell 3:7 Spillvarmekilder hos GE. Spillvarmekilde Medie T inn ( C) T ut ( C) C v (J/Kkg) Energimengde (GWh/år) Røykgass kjele CO 2 +H 2 O+N Flashdamp (1,5 bar) H 2 O Kjølevann H 2 O Ventilasjonsavkast N Kjølevannet fra prosessen er samlet i et rør og har innholdstemperaturen 20 C. Denne energien går til sjø og er vanskelig å utnytte exergimessig, og det samme gjelder ventilasjonsavkastet. Røkgassmengder fra kjelene er ujevn, men inneholder ikke partikler. Spillvarmekilden fra røkgass og flashdamp har potensialer for exergiutnyttelse hvis flowene er store nok, men det må i så fall samles inn mer data. 3.7 Andre Bedrifter Andre bedrifter med spillvarme som har vært med på siden av prosjektet, er Hydro Årdal, Returkraft i Kristiansand, Vestas Casting og Forus Energi. Disse ble tilbudt å være med på dette forprosjektet. Det var også noen andre bedrifter som ble forespurt, og uten å ha konkrete tall, anses det som å være gode muligheter for energigjenvinning hos Returkraft og Vestas Casting på Sørlandet, og Forus Energi på Vestlandet. Spesielt Hydro