IRIS/ cense og energieffektivisering Foredling av spillvarme for industri. Øystein Lund Bø

Transkript

1 IRIS/ cense og energieffektivisering Foredling av spillvarme for industri Øystein Lund Bø

2 IRIS Energy Petroleum CO2 Capture and Storage Renewable energy Energy efficiency Gas

3 Center for Sustainable Energy Solutions cense 70+ researchers registered

4 cense Director: Prof. Mohsen Assadi Centre for Sustainable Energy solutions Main focus areas Wind Energy Solar Energy Biogas, NG & Hydrogen Energy Efficiency GHG Emission Reduction Energy Policy/Econ. Energy Efficiency X X X X X X X X - X O&M, Intel. monitoring X X X X X

5 Arbeid med energieffektivisering hos IRIS Effektiv termisk energi Turbinteknologi Energieffektiv olje&gass utvinning Effektiv energidistribusjon Integrerte energisystem Smartgrid Geopower Effektiv termisk kraftproduksjon

6 cense / Teknova / IRIS forprosjekt Samlet noe bedrifter på sørvestlandet Forprosjekt i regi av cense Gjennomført av Teknova/IRIS høsten 2009 Samarbeid med industri på sør/vestlandet Hvordan kan spillvarme fra industri foredles?

7 Motivasjon: Energiflyt i Europa Motivasjon

8 Motivasjon: Energiflyt i Rogaland Kan noe av spillvarmen omdannes til elektrisk kraft? Kilde: SSB

9 Motivasjon: Økende energipriser Innledning Statistisk sentralbyrå Strømproduksjon 2008 = 143 TWh

10 Spillvarmeressurser i Norge Til sammenligning: Norges totale kraftforbruk er ca 120 TWh Ref. Norsk Energi 2009

11 Energimengde fra spillvarme for noe industri på sør/vestlandet Bedrift Mediu T ( C) Energimengde m (GWh/år) Tinfos Vann B Gass Saint??? Gobain Xstrata Vann Damp Alcoa Gass (?) 1100 Vann 55(?) GE Gass ? Hydro Gass (*4?) ++ Vann?? Vestas Vann 70? Returkraft Forus Energi Total Gass Vann Damp Varmemengde fra disse utgjør: -ca 20% av Rogalands totale energiforbruk inkl transport - ca 4% av Norges totale kraftforbruk Problem: Brukere av varmeenergi? Mulighet: Hvis 2-3 % kan benyttes til elproduksjon utgjør dette 50MNOK/år

12 Termodynamikkens 2. Lov S dq T - Alle virkelige prosesser fører til større mikroskopisk uorden - Når vi bruker energi, synker den totale energikvaliteten - Varme ved høy temperatur kan ikke konverteres til arbeid uten varmeoverskudd ved lav temperatur 0 - Kun en del av spillvarmen (eksergi) kan konverteres til mer høyverdig energi ideell Eks- TH=100 oc. TL=20oC ideell 20% 1 T T L H

13 Nyttbare energiformer Spillvarme inn Eksergiutnyttelse Varmegjenvinning Elektrisk energi Høytemperatur varmeenergi Trykkenergi

14 Teknologier for energiomvandling Til elektrisk kraft 1. Dampturbin 2. Dampmotor 3. Stirlingmotor 4. Eksternt fyret gasturbine (EFGT) 5. Organisk Rankine-syklus (ORC) 6. Kalina-syklus 7. Termoelektrisk effekt (ukonvensjonelt) Til høytemperatur varme Varmepumper Til trykkenergi Termokompressor

15 Dampturbin Varme i form av damp Velprøvd teknologi Store anlegg (>1 MW el ) Elvirkningsgrad ~30% for store anlegg (~10% for små) Bør kjøres på jevn, høy last Tap i virkningsgrad som følge av slitasje på turbinen

16 Dampmotor Kjent og gammel teknologi Rankine-syklus Lav virkningsgrad (~6-8%) Egner seg til dellast Små anlegg (<1 MW el )

17 Stirlingmotor Følger Carnot-syklusen (ideelt) Stempelmotor med lukket syklus Arbeidsmedium ulike gasser (luft, He, H) Mange typer varme aktuelt (motor med ekstern varmetilførsel) Lavtemperaturanvendelser aktuelt Virkningsgrad avhengig av spillvarme-, proces- og kjølevannstemperatur Eks. 70/10 C: ~9 %, 140/10 C: ~16 % Effektiv prosess (med regenerator) Begrenset til små anlegg foreløpig (noen hundre kw el ) Anvendelser: Biomasse, forgasning, Stirling DK

18 Eksternt fyrt gassturbin (EFGT) Gasturbineteknologi Lignende Stirling, men større effekter Anvendelser: Kullkraft i Tyskland, Japan

19 Organisk Rankine-syklus Rankine-syklus med organisk væske som arbeidsmedium Lavt kokepunkt (30-40 C) må tilpasses varmekilden Varme ned mot 60 C Elvirkningsgrad opptil 18 % (ok ved dellast) Vedlikeholds fri prosess Liten slitasje på mekaniske deler Giftige stoffer

20 Kalina-syklus Rankine-syklus med multikomponent-arbeidsmedium (H 2 O/NH 3 ) Fordampning/ kondensasjon over et stort temperaturområde Utfordringer knyttet til kondensering/sirkulering av blandingen Effektivitetsgevinst knyttet til bedre samsvar mellom varmekildens temperatur og prosesstegene Benyttet til spillvarmebasert og geotermisk kraftproduksjon Umoden teknologi

21 Varmepumpeteknikk Lav- til høytemperatur (eks. fjernvarme) Mekanisk (elektrisk) energi må tilføres Benyttet i en lang rekke applikasjoner Varmefaktor ~3

22 Termokompressor Damp ved lavt trykk tilgjengelig middels trykk damp Latent varme i dampen utnyttes Rekomprimering av lavtrykksdamp Spesiell anvendelse og umoden teknologi Høy virkningsgrad ikke dokumentert

23 Veien videre? Arbeidet kan fokuseres for å se på konkrete tekniske muligheter for enkeltbruker Hovedprosjektsøknad mot f.eks Norges Forskningsråd avhenger av industripartnere/brukere Uttesting av teknologi for termisk kraftproduksjon kan utføres på Risavika Gas Centre Andre applikasjoner: Geopower - varme fra geotermisk brønn Solvarme Biobrensel