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Prof. Dr. Beat Wellig Hochschule Luzern – Technik & Architektur Leiter Kompetenzzentrum (CC) Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik Forum Energieeffizienz – «Perspektivenwechsel» Freitag, 28. August 2015, Congress Centre Kursaal Interlaken
Energiebedarf und Kosten senken in der Industrie
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
Wir sind spezialisiert auf praxisnahe F&E im Bereich Energie-, Verfahrens- und Umwelttechnik.
Unsere Mission:
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
Gruppe Beat Wellig: Thermische Energiesysteme und Verfahrenstechnik
Gruppe Jörg Worlitschek: Thermische Energiespeicher
Gruppe Mirko Kleingries: Sorption
Gruppe Thomas Nussbaumer: Bioenergie und Nachhaltigkeit
Unsere Forschungsgruppen:
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
z.B. Hocheffiziente Niederhub-Wärmepumpen
In Zusammenarbeit mit der BMS Energietechnik AG und BS2 AG
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
z.B. Leistungsgeregelte Wärmepumpen (BFE)
Markante Effizienzsteigerung durch optimale Leistungsregelung
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
z.B. Geschirrspüler mit Wärmepumpe (V-ZUG AG)
«Weltmeister im Energiesparen»: A+++ minus 40%
Spray
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
z.B. Thermosiphon-Wärmeübertrager (BFE)
«Schmutzresistenter» Wärmeübertrager für die Abwärmenutzung
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
z.B. Kontinuierliche Produktion von Polymeren (Sika)
Reduktion von Energiebedarf und Produktionskosten
R001
V001
P001
R002
P004
W001
V002
P009 B002
P006
R003
W003
P002
B001
W005P003
P005
W002
W006
W008
W004
P008
W007
F002
P011
P010
P012
P007
COOLED WATER20°C
RAW MATERIAL
STEAM
TO SCRUBBER
HOTOIL
HOTOIL
TO TANKS
WATER
TO SCRUBBER
COOLED WATER 20°C
TO SCRUBBER
ADDITIVES
STEAM
F001
COOLED WATER20°C
W009
HOT OIL
CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
z.B. Sprühtrocknung inhalierbarer Wirkstoffe
F&E-Projekt mit BÜCHI Labortechnik AG und Novartis Pharma AG
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Um was geht es heute?
Dank «Perspektivenwechsel» der Pinch-Analyse Energie und Kosten
sparen in der Industrie
Zwei zentrale Herausforderungen
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Atom-Ausstieg umsetzen… und CO2-Ziele erreichen.
Anteil Erneuerbare Energien und Energieeffizienz markant steigern!
Energiestrategie 2050
Energiebedarf der Schweizer Industrie Rund 20% des gesamten schweizerischen Energiebedarfs, mehr als die Hälfte davon ist «Prozesswärme»
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Energieeffizienz in der Industrie: Drei Feststellungen
Bundesamt für Energie BFE: Energieeinsparpotenzial von 20-40% bei vielen Industrieunternehmen
Energieeffizienz-Massnahmen sind oft (wesentlich) kosteneffektiver als z.B. im Gebäudebereich
Trotzdem: Wirtschaftliche Massnahmen werden teilweise nicht umgesetzt
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Welche Fragen stellen sich bei der Energie-Optimierung von industriellen Prozessen?
Wie effizient ist der betrachtete Prozess?
Wie gross ist der minimale Energiebedarf?
Wie gross ist das Wärmerückgewinnungspotenzial?
Lohnt sich der Einsatz von Wärmepumpen, Blockheizkraftwerken usw.?
Wo liegt das wirtschaftliche Optimum für die Investitions- und Betriebskosten?
Wie kann dieses Optimum erreicht werden?
Die Pinch-Analyse liefert die Antworten!
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Was ist eine «Pinch-Analyse»?
Eine andere Perspektive auf Produktions- und Infrastrukturanlagen
Systemorientierte Methode zur Bestimmung des optimalen Energieeinsatzes und Anlagen-designs unter der Randbedingung von minimalen Kosten (Investition und Betrieb)
«Energie-Optimimierung mit System statt Trial-and-Error»
15°C
Heizung 462 kW
Kühlung 539 kW
Milch-Massenstrom = 2 kg/s Spez. Wärmekapazität = 3.85 kJ/(kg∙K)
75°C 75°C 5°C
Es werden ca. 1000 kW Heiz- und Kühlleistung benötigt.
Prinzip der Pinch-Analyse: z.B. Milch-Pasteurisation
mpc
Heizung Kühlung
539 kW 462 kW
Milch-Pasteurisation = 60 K (ohne Wärmerückgewinnung, WRG) minT∆
Tem
pera
tur
[°C]
Wärmeleistung [kW]
Betriebskosten Investitionskosten
Jähr
liche
Kos
ten
[CH
F/a]
∆Tmin [K]
WRG Heizung Kühlung
385 kW 308 kW 154 kW
42 m2
Milch-Pasteurisation = 40 K (mit WRG) minT∆
Tem
pera
tur
[°C]
Wärmeleistung [kW]
Jähr
liche
Kos
ten
[CH
F/a]
∆Tmin [K]
Betriebskosten Investitionskosten
WRG Heizung Kühlung
231 kW
154 kW
308 kW
Milch-Pasteurisation = 20 K (mit WRG) minT∆
Tem
pera
tur
[°C]
Wärmeleistung [kW]
Jähr
liche
Kos
ten
[CH
F/a]
∆Tmin [K]
Betriebskosten Investitionskosten 56 m2
WRG Heizung Kühlung
154 kW
77 kW
386 kW
Milch-Pasteurisation = 10 K (mit WRG) minT∆
Tem
pera
tur
[°C]
Wärmeleistung [kW]
Jähr
liche
Kos
ten
[CH
F/a]
∆Tmin [K]
Betriebskosten Investitionskosten 96 m2
Gesamtkosten minimal
Bei mehr als nur zwei Strömen…
Verbundkurven (Composite Curves, CC):
T [°C]
Kühlleistung (cold utility)
Wärmerück-gewinnung
Heizleistung (hot utility)
so wählen, dass Gesamt- kosten minimal sind:
∆Tmin ↑: Invest.kosten ↓ Betriebskosten ↑
∆Tmin ↓ : Invest.kosten ↑ Betriebskosten ↓
∆Tmin
Pinch = «Einschnürung»
H [kW]
Hot CC: Wärme- angebot (Kühl- bedarf)
Cold CC: Wärme- bedarf
Einige reale «Composite Curves»…
Perspektivenwechsel dank Pinch-Analyse
z.B. Unternehmen aus Lebensmittelindustrie: Betriebsfall «Vollproduktion, Übergangszeit», mit Wärmepumpe
Heizung WRG Kühlung
Verdampfer
Kondensator
Perspektivenwechsel dank Pinch-Analyse
z.B. Unternehmen aus Lebensmittelindustrie: Betriebsfall «Reduzierte Produktion, Übergangszeit», mit Wärmepumpe
WRG Kühlung
Kondensator
Verdampfer
Perspektivenwechsel dank Pinch-Analyse
z.B. Unternehmen aus Lebensmittelindustrie: Betriebsfall «Reduzierte Produktion, Winter», mit Wärmepumpe
Kondensator
Verdampfer
Heizung WRG
Perspektivenwechsel dank Pinch-Analyse
z.B. Unternehmen aus Lebensmittelindustrie: Wärmeübertrager-Netzwerk für optimale WRG und Energieversorgung
- Ganzheitliche Optimierung von - Energieeffizienz - Anlagendesign, Energieversorgung - Investitions- und Betriebskosten
- Markante Senkung des Energiebedarfs (bis zu 40%) und der CO2-Emissionen
- Strategische Planung der Massnahmen-Umsetzung («Man verbaut sich nichts.»)
Was ist der Nutzen von Pinch-Analysen?
www.pinch-analyse.ch
- Produktionsanlagen mit thermischen Verfahren (kontinuierlich oder Batch)
- Planung von neuen Anlagen («first time right») und Retrofit
- Verbindung zu Gebäudetechnik, Vernetzung (Werke, Areale), Abwärmenutzung usw.
Wann ist eine Pinch-Analyse sinnvoll?
www.pinch-analyse.ch
- Angaben zum absoluten Energie-einsparpotenzial
- Optimierte Wärmerückgewinnung und Energieversorgung (z.B. Dampf, Kälte, Wärmepumpen, BHKW, Solarenergie)
- Massnahmenkatalog mit Kosten/Nutzen-Betrachtung (Payback pro Massnahme)
Was ist das Resultat einer Pinch-Analyse?
www.pinch-analyse.ch
- Die Pinch-Analyse hilft Fehlinvestitionen zu vermeiden
- Oft auch Reduktion der Kosten im Strom- und Wasserbereich
- Fallweise Erhöhung der Produktionskapazität möglich
Was sind weitere Benefits einer Pinch-Analyse?
www.pinch-analyse.ch
Wie ist der Ablauf einer Pinch-Analyse?
www.pinch-analyse.ch
10 – 20 % 10 – 20 % 60 – 70 %
2
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1 Datenaufnahme, Analyse Ist-Zustand
Durchführung Pinch-Analyse
Massnahmenliste mit Kosten/Nutzen, Priorisierung
Aufwand, Dauer 3 - 6 Monate
- Angst vor Eingriff in bewährte Prozesse
- Flexibilität wichtiger als Effizienz (keine neuen Abhängigkeiten schaffen)
- Interne Organisation, Business Case, Investitionsentscheide
Eine enge und vertrauensvolle Zusammenarbeit aller Involvierten ist unerlässlich!
Das «Nicht-Technische» ist genau so wichtig!
www.pinch-analyse.ch
PI/PinCH-Stützpunkt des BFE an der Hochschule Luzern
- PinCH-Software
- Unterstützung von Anwendern
- Beratung von Unternehmen
- Durchführung von Pinch-Analysen
- Coaching, Schulungen & Firmenkurse
- Weiterentwicklung von PinCH
www.pinch-analyse.ch
Alcan Packaging Rorschach AG Amcor Flexibles Burgdorf Amrein Futtermühle AG Avery Dennison B.Brown Medical AG Bell AG Blattmann Schweiz AG Cellpack AG Kunststofftechnik Chocolat Frey AG DGS Druckguss Systeme AG e. Luterbach AG Elsa-Mifroma Emmi EMS Chemie Erbo Spraytec AG Estavayer Lait SA Eternit (Schweiz) AG F. Hunziker + Co AG Flumroc AG
Forbo-Giubiasco SA Frutarom Switzerland Ltd. Galvaswiss AG Givaudan Schweiz SA Grand Resort Bad Ragaz Haco AG Heineken Switzerland AG Hochdorf-Nutritec AG Hero Schweiz Hefe Schweiz AG Ilford Imaging Switzerland Sàrl Impreglon Coatings AG IVI Mittelhäusern Kentaur GmbH Klinik St. Anna Luzern Kronospan Schweiz AG KVA Turgi+Niederurnen Landi Oberkirch/Sursee Lati
Lindt & Sprüngli (Schweiz) AG Lonza Visp Mapei Suisse SA Metal Paint AG Metsä Tissue GmbH Model Verpackungen AG Monosuisse AG Nestlé Pavatex SA Peka System AG Perlen Papier AG Pilatus Flugzeugwerke AG Ramseier AG Rapelli SA Ricola AG Rivella AG Rheinmetall Air Defence Saline de Bex Schweizer Getränke AG
Sefar Serge Ferrari AG Sika Düdingen SIG Combibloc GmbH Stahl Gerlafingen STIHL Kettenwerk GmbH SwissFlock Inc. TE Connectivity Solutions GmbH TIMCAL SA Trocknungsanlage Zell UCB Farchim SA Utzenstorf Papier VOEST Alpine Von Roll Casting V-ZUG AG WEPA Papierfabrik Zeochem AG Ziegler Papier AG Zweifel Pomy-Chips AG
Praxisbeispiel Ziegler Papier AG
- Einsparung Wärmeenergie: 19 GWh/a (16%)
- Kosteneinsparungen: 1.1 Mio. CHF/a
- Payback: 1.7 Jahre (prior. Massnahmen)
Pinch-Analyse durchgeführt von Helbling Beratung + Bauplanung AG, Zürich
Praxisbeispiel Nestlé SA
- Einsparung Wärmeenergie: 12.5 GWh/a (40%)
- Kosteneinsparungen: 1.15 Mio. CHF/a
- Payback: 2.6 Jahre
Pinch-Analyse durchgeführt von Weisskopf Partner GmbH, Zürich
Pinch-Offensive BFE
Das BFE übernimmt 35–60% der externen Ingenieurkosten.
Pinch-Analyse bei der EnAW
Die Fachleute der EnAW geben Ihnen gerne Auskunft!
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Drei Punkte als Fazit: Die Pinch-Analyse ist der Schlüssel zu mehr
Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit
Mein persönlicher Wunsch: Die Pinch-Analyse wird zu einem Standard-Werkzeug
Nutzen Sie die Fördermöglichkeiten des BFE und die Angebote der EnAW, HSLU usw.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Pinch-Analysen ermöglichen eine neue Perspektive auf industrielle Prozesse
Finanzielle Unterstützung: - Bundesamt für Energie BFE - Energie-Agentur der Wirtschaft EnAW - Hochschule Luzern HSLU
Expertenteam: - Florian Brunner,
Brunner Energieberatung GmbH - Dr. Pierre Krummenacher,
Planair SA - Raymond Morand,
Helbling Beratung + Bauplanung AG
Dank
- Professor und Dozent für Thermodynamik, Verfahrens- und Umwelttechnik, Hochschule Luzern
- Leiter Kompetenzzentrum (CC) Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik
- Forschungsschwerpunkte: - Prozessintegration und Pinch-Analysen - Thermische Trennverfahren und Umwelttechnik - Wärmepumpen- und Kältesysteme
Kontakt: Hochschule Luzern - Technik & Architektur CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik Prof. Dr. Beat Wellig Technikumstrasse 21 6048 Horw T 041 349 32 57 M 079 653 89 02 beat.wellig@hslu.ch
Beat Wellig
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