Varmegjenvinning fra industriprosesser til oppvarmingsformål. Av siv.ing. Vidar Havellen, Norconsult AS seksjon Energi og infrastruktur

Transkript

1 Varmegjenvinning fra industriprosesser til oppvarmingsformål Av siv.ing. Vidar Havellen, Norconsult AS seksjon Energi og infrastruktur

2 Industriprosesser fra lett -industri Overskuddsvarme fra autoklaver, ovner m.m. Trykkluft Kjøle/fryseprosesser Datakjøling Tørkeprosesser Avfuktingsanlegg (f.x. renrom) Klimakontroll i verkstedlokaler (varme fra verktøymaskiner m.m.) 2

3 Egenskaper til overskuddsvarmen Kan være batchprosesser, kortvarige høye effekttopper Varierende temperaturnivåer Ofte vanskelig å gjenvinne varme fra mange prosesser, varme ofte som oppvarmet luft Ofte overvurderte varmelaster, kortere driftstider og mindre energivolum enn man planlegger ut fra Dimensjoneringsgrunnlaget er forbundet med stor usikkerhet 3

4 Analysering av varmegjenvinningspotensial Kartlegging av varmeoverskudd (energimengde over tid, temperaturer, egenskaper eks. luft, vann etc.) Viktig å analysere varme- og kjøleprosessene med f.eks. pinch point analyse for å kartlegge mest mulig optimal varmegjenvinningsstrategi Unngå unødige temperaturtap gjennom for mange varmevekslinger, shunter etc. Alltid utnytte varme/kulde direkte før eventuell bruk av kjølemaskin/varmepumpe! Tilgjengeligheten på overskuddsvarme i forhold til varmebehovene er avgjørende for lønnsomheten til prosjektet. Vanlige oppvarmingsformål er utetemperaturavhengige, noe som kan begrense utnyttelsen av overskuddsvarmen. 4

5 Prosess-/produksjonskrav Høye krav til driftsregularitet, vanskelig å gjøre endringer/bygge varmegjenvinningsløsninger uten å stoppe prosesser/produksjon Robuste varmegjenvinningsløsninger som ikke forstyrrer prosessene Produksjonen er 100 ganger viktigere enn gjenvinning av energi! Vanskelig å gripe inn i valg av utstyr/løsninger for å få utstyr som det er lettere å gjenvinne varme fra. 5

6 Utfordringer med varmeutnyttelsen Eldre (og faktisk en god del nyere) anlegg bygget med konstantmengdesirkulasjon og 80/60 C distribusjonstemperaturer Med svak utekompensering pga temperaturledende varmebehov som varmtvannsoppvarming, vil returtemperaturen i anlegget alltid være høy Dette vil sterkt redusere mulighetene for effektiv bruk av varmepumper. Kortvaring varmebehov, mye internlaster og varmeoverskudd i prosessene reduserer varmebehovet 6

7 Kilde: Prenøk 5.0/Skarland Press AS

8 Hva skjer med returtemperaturen ved økende utetemperatur? Eksempel med 80/60-anlegg. VP max 60 C Konstantmengde anlegg Varighetskurver Timer Varighetskurver Timer Utetemperatur Effekt [kw] Utetemperatur Effekt [kw] Utetemp. C Spisslasteffekt Effekt Varmepumpe Utetemp. C Turtemp. Returtemp. Årsvarmefaktor VP 3,1 Strømforbruk varmepumpe kwh/år Produsert Varmepumpevarme kwh/år 2 % Gratis energi kwh/år Produsert Biokjelvarme - kwh/år 0 % Total primærenergi kwh/år Produsert Spisslastvarme kwh/år 98 % Årsvarmefaktor system 1,0 Sum varmeproduksjon kwh/år 100 %

9 Hva skjer med returtemperaturen ved økende utetemperatur? Eksempel med 80/60-anlegg. VP max 60 C Mengderegulert anlegg Varighetskurver Timer Varighetskurver Timer Utetemperatur Effekt [kw] Utetemperatur Effekt [kw] Utetemp. C Spisslasteffekt Effekt Varmepumpe Utetemp. C Turtemp. Returtemp. Årsvarmefaktor VP 3,2 Strømforbruk varmepumpe kwh/år Produsert Varmepumpevarme kwh/år 47 % Gratis energi kwh/år Produsert Biokjelvarme - kwh/år 0 % Total primærenergi kwh/år Produsert Spisslastvarme kwh/år 53 % Årsvarmefaktor system 1,5 Sum varmeproduksjon kwh/år 100 %

10 Innvirkning av høye internlaster Varighetskurver Timer Utetemperatur Effekt [kw] Utetemp. C Spisslasteffekt Effekt Varmepumpe 10

11 Trykkluft Lett å gjenvinne energi, ferdige løsninger for varmegjenvinning Trykkluft er kritisk i mange industriprosesser, bortfall pga feil på varmegjenvinningen merkes svært fort. Robuste varmegjenvinningsløsninger med backup er viktig. Trykkluft kan variere mye i last over døgnet 100% av strømforbruket til trykkluft kan teoretisk gjenvinnes 11

12 Akkumulering av varme Høytemperaturakkumulering Ta opp variasjoner i varme fra prosessene for å jevne ut belastningen mot energisentralen, unngå topper. Gir reduserte investeringer i varmepumpe og økt brukstid. Lavtemperaturakkumulering Basseng eller tanker for å ta lagre kjøleenergi for å jevne ut prosesstopper. Sesongakkumulering Energibrønner dumpe energi i brønnene i sommerhalvåret, og hente ut igjen om vinteren. I kombinasjon med varmepumpe kan dette gi en svært høy utnyttelse av overskuddsvarme. Men høy investering. 12

13 Lagringskapasitet Korttidslager timer/døgn Vann eksempel: 500 m³, DT = 20 K => kwh Is eksempel: 150 m³ => kwh Viktig med temperatursjiktning for å øke lagringskapasiteten for tanken Sesonglagring Energibrønner eksempel: 49 brønner med 7 m innbyrdes avstand, 300 m dype, 5 K temp. endring => kwh 13

14 Figur Jørn Stene, COWI AS 14

15 Teoretisk effektfaktor Effektfaktor [-] 16,0 14,0 12,0 10,0 8,0 6,0 Effektfaktor varmepumper Effektfaktoren er regnet i forhold til en varmekilde ved 0 C Ideell varmepumpeprosess Virkelig varmepumpeprosess 3% økning i varmeavgivelsen pr grad Celsius økning i fordampningstemperatur 1,5% økning i strømforbruket pr grad Celsius økning i kondenseringstemperatur Gjelder for to-trinns ammoniakkanlegg 4,0 2,0 0, Tem peraturløft [K] 15

16 Kombinasjon kjøling og varme! En gunstig kombinasjon! 16

17 Eksempel Spillvarmekilde vann ved 50 C, 25 l/s Returtemperatur varmeanlegg 60 C, 80 l/s Gjenvinning via isvannsnett, 7 C Kan teoretisk hente ut ca kw fra spillvarmen, med 50 bars varmepumpe kan det leveres ca 5,9 MW med en utgående vanntemp på 77,5 C. Effektfaktor ca 3,2/P el 1,77 MW Gjenvinning på høy temperatur, 30 C Kan teoretisk hente ut ca kw fra spillvarmen, med 40 bars varmepumpe kan det leveres ca 2,1 MW med en utgående vanntemp på 66 C. Effektfaktor ca 5,6/P el 370 kw Gjenvinning på høy temperatur gir sterkt reduserte investeringer ift lav temperatur, minst 80% lavere i varmepumpeinstallasjonene. Videre reduseres energiutbyttet vesentlig (57%). Strømforbruket reduseres kraftig, slik at investeringen er isolert sett mer lønnsom. Hva som lønner seg totalt sett er avhengig av alternativ energipris på oppvarming, tilgjengeligheten på spillvarmen og varmebehovet i anlegget over året 17

18 Kongsberg Teknologipark 18

19 Kongsberg Teknologipark 19

20 Maksimum utgående vanntemperatur fra kondensatoren Påvirker varmepumpens driftsområde og temperaturbegrensning R404A 50 C 55 C 60 C 65 C 70 C 75 C 80 C 90 C Figur Jørn Stene, COWI AS R407C R410A 25 bar 1-trinns bar 1-trinns 35 bar 1-trinns 1 R134a 25 bar 1-trinns 25 bar 2-trinns 40 bar 2-trinns 2 R717 (NH 3 ) 25 bar 1-trinns 40 bar 2-trinns 50 bar 2-trinns 2 60 bar 2-trinns 2 R290 (C 3 H 8 ) R744 (CO 2 ) 25 bar 1-trinns 1) Anlegg opp mot ca. 20 kw 2) Varmepumper i fjernvarmeanlegg 150 bar 1-trinns 20

21 Prinsippskjema varmepumpe Q 0 Q k W el Termodynamisk prosess med et kuldemedium i en lukket krets tilpasset temperaturbehovene. Opptatt effekt, Q 0 + tilført elektrisitet, W el = avgitt effekt, Q k Varmepumpe med spisslast/reservelastkjel En varmepumpe kobles alltid i retur i anlegget! 21 21

22 CO2-varmepumper Egner seg spesielt til oppvarming av varmtvann fra 5-10 C opp til C. Kan ikke brukes mot vanlige varmeanlegg, må ha stor avkjøling, minst ned til 30 C hvis det skal være gunstig Figur Jørn Stene, COWI AS 22

23 Teknologivalg standard industrielle varmepumper med NH 3 Fordeler: Rimeligere investering, skalerbar, bedre driftsøkonomi, maks C Ulemper: Giftig gass, mer plasskrevende, få leverandører 23

24 50 bars ammoniakk skruekompressor 24

25 25

26 26