2_process optimation_AEE Intec

Optimierungen in der Industrie – Potentiale zur Einsparung von thermischer Energie Nationale und internationale Fallstudien

Bettina Muster AEE – Institut für Nachhaltige Technologien A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19 AUSTRIA

Graz, 18. April 2013

Überblick Energiebedarf in der Industrie Vorgehensweise für die Identifizierung von Optimierungsmaßnahmen Technologische Optimierung und Systemoptimierung

Optimierungsmaßnahmen und Einsparpotentiale in der Industrie Ergebnisse aus dem EU Projekt EINSTEIN Ergebnisse aus dem AT Projekt Solarfoods

Graz, 18. April 2013

1

Energieverbrauch EU 27 25% des Endenergiebedarfs in EU27 (2006) für Raumwärme und Kühlung von Gebäuden 28% des Endenergiebedarfs in EU27 (2006) für Industrie 69.5% des industriellen Endenergiebedarfs in industry für Wärmeproduktion 57% im niederen und mittleren Temperaturbereich <= 400°C

Strategic Energy Review 2008; Quelle: Eurostat Data für 2003, 32 Länder: Quelle: ECOHEATCOOL (IEE ALTENER Project)

Graz, 18. April 2013

Einsparziele EU

EU-targets by 2020 (20-20-20):

Reduction of emissions by 20%

Increase of energy efficiencies by 20%

Increase of the use of renewable energies up to 20%

Graz, 18. April 2013

2

Energieeffizienz in EU 27

ODEX EU 27 (European Environment Agency, 2011)

ODEX is equivalent to the ratio between the actual energy consumption of the sector in year t and a fictive consumption without energy savings in the 10 branches;

Graz, 18. April 2013

Europ채ische Ziele f체r Treibhausgasemissionen 6000,0

200,0

180,0 5000,0 160,0

140,0 4000,0 120,0

Mt/a

100,0

targets reduction in year

80,0 2000,0 60,0

40,0 1000,0 20,0

0,0

0,0

19 90 19 93 19 96 19 99 20 02 20 05 20 08 20 11 20 14 20 17 20 20 20 23 20 26 20 29 20 32 20 35 20 38 20 41 20 44 20 47 20 50 20 53 20 56 20 59 20 62 20 65 20 68 20 71 20 74 20 77 20 80 20 83 20 86 20 89 20 92 20 95 20 98

Mt/a

emissions 3000,0

Year

Schnitzer, TU Graz Graz, 18. April 2013

3

Ressourceneffiziente Produktion / Low carbon industry Energieeffizienzschritte zentral wichtig

Source: UNIDO 2010 Graz, 18. April 2013

Optimierungen in der Industrie Benchmarkvergleich Wichtiges Tool f체r Einsch채tzung des gesamten Optimierungspotentials

Benchmarks kWhth/tProdukt oder kWhel/tProdukt

www.bess-project.info/, Graz, 18. April 2013

4

Optimierungen in der Industrie Welche Optimierungen sind sinnvoll?

Vielzahl an Maßnahmenkatalogen IPPT Best Reference Documents Manuals und Maßnahmenkataloge aus Projekte

Graz, 18. April 2013

Beispiel - Maßnahmen im Kesselhaus Wärmeverluste am Kessel

Erkenntnis

Möglichkeiten

• Kesseldruck oder Kesseltemperaturniveau möglichst nahe an den in den Anlagen benötigten Niveaus anpassen. (Temperaturdifferenz Kesselwand zur Umgebung) • Wenn es der Betrieb zulässt, keinen Kessel als Ausfallssicherheit in StandBy- Betrieb mitlaufen lassen.

• Kesselleistung oder zumindest das Regelverhältnis so dimensionieren, dass ein möglichst durchgehender Betrieb gewährleistet ist.

z.B. Einbau einer Schaltuhr um mit derer Hilfe ein unterschiedliches Temperaturoder Druckniveau vorgegeben werden kann. (z.B. Nachtbetrieb, Wochenendbetrieb) Da es im Nachhinein kaum möglich ist die Isolierung eines Kessels ohne sehr hohem Aufwand zu verbessern, sind die Möglichkeiten die Abstrahlungsverluste zu Verringern sehr begrenzt.

Luftzufuhr der Brenner

Abstrahlverluste

Kesselregelung ECO

Wasserverluste

• Durch kontinuierliche oder regelmäßige Massenbilanzen können die Verluste entdeckt und beseitigt werden.

• Undichtheiten bei Heißwasseranlagen erkennen und beseitigen (Nachspeisemengen) • Sichtkontrollen auf undichte Stellen (Dampfaustritt) • Möglichst viel an Kondensat rückführen • Kondensatableiter regelmäßig kontrollieren

Fegedampf

• Brüdenventil nicht zu stark öffnen. (auf keinen Fall komplett schließen Kesselschaden) • Keine zu hohen Temperaturen oder Druck im Speisewasserbehälter (Soll 103°C oder 0,3bar)

Absalzung

Fegedampfverluste

Offene Kondensatsysteme Absalz&Abschlämmverluste

….

Verschmutzung der Heizflächen

Abkühlverluste

Abgasverluste

• • • •

Anlage mit möglichst hohe Eindickung betreiben (Leitwert Speisewasser/ Leitwert Kesselwasser) Häufigkeit der Abschlämmung optimieren (Wasserwerte lt. ABV Anlage 3) Kontrolle der Wasserwerte

• Abgastemperatur kontrollieren • Regelmäßige Kontrolle der Wasserqualität (lt. ABV Anlage 3) • Kontrolle der Heizflächen (Kesselservice)

• Lasten (wenn möglich) gleichmäßig verteilen • Es ist besser einen Kessel im oberen Lastbereich zu betreiben als zwei im unteren mit häufigeren Brennerstarts.

• Regelmäßige Kontrolle der Abgastemperatur • Bei Anstieg der Abgastemperatur Ursache erheben und beseitigen (z.B. reinigen der Abgaszüge) • Regelmäßige Brenner und Kesselwartungen

• Regelung welche den Sauerstoffgehalt im Kondensat oder im Speisewasserbehälter ermittelt und die Fegedampfmenge über ein Regelventil optimiert.

• Wärmetauscher in der Fegedampfleitung (Entstehendes Kondensat darf auf keinen Fall in den Kesselkreis rückgeführt werden) • Kontinuierliche Leitwertmessung und Regelung mit Optimierung auf den größtmöglichen Eindickungsfaktor • Betrieb einer Voll- oder zumindest Teilentsalzungsanlage für das Kesselwasser (z.B. Umkehrosmoseanlage) • Wärmerückgewinnung des Abschlämm- und Absalzwassers

• Kontinuierliche Aufzeichnung der Abgastemperaturen • Genaue Analyse des Kesselwassers und des Kondensates • Moderne Wasseraufbereitungsanlage

• • • • •

Richtig dimensionierte Kessel Richtig dimensionierte Brenner zur Kesselleistung Brenner mit einem großen Regelverhalten größer 1:4 Stetige Brennerbetriebsweise anstelle von stufiger Betriebsweise Intellegente Regelungstechnik und Konzepte

• Einbau eines Eco (Abgaswärmetauscher zur zusätzlichen Erwärmung des Speisewassers) • Speisewasserunterkühlung (dem Speisewasser wird vor dem Eintritt in den Eco noch zusätzlich Wärme entzogen, (Speisewasser kommt im Normalfall mit ca.

103°C zum Eco) um die Effektivität des Eco zu erhöh en.

• Einbau eines Luvo (Verbrennungsluftvorwärmung) Grenzen: Nox-Bildung durch erhöhte Verbrennungslufttemperatur • Der Einsatz von kleineren Feuerungsleistungen an vorhandenen, größeren Kesselanlagen ist mit neuen, optimierten Brennern durchaus sinnvoll.

Graz, 18. April 2013

5

Beispiel - Maßnahmen im Kesselhaus Analyse für Maßnahmenfindung nötig

Graz, 18. April 2013

Methodische Vorgehensweise Herausfinden von Maßnahmen erfordert methodische Vorgehensweise 1 2 3

• First contact

Contact Basic data acquisition Preparation

• Use simple questionnaire to get most important information before company visit • Questionnaire is applicable for all industry sectors and includes client´s motivation • • • •

Use solar- or branch specific information to get an overview Review additional reports of realized project or case studies Call company to clarify questionnaire (data, motivation, future strategies) Decide if potential for a solar process heat system is given

• Decide if potential for a solar process heat system is given

4

5

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Company visit

Analysis of status quo

Process optimization & energy efficiency

• Get overview of production site, heat consumers, and heat supply system together with responsible technical staff of company • Find out about future plans and strategy of the company • Collect, draw and discuss sketches (production flow, possible integration points, roof area, location for storages, etc.) with technical staff • Crosscheck gathered data with available benchmarks • Draw energy balance and flow sheet of production, try to estimate energy consumption of single production sections or processes Actual depth of this analysis is based on available data and resources of auditor

• Check heat recovery potential within utilities (supply of heat, cold, compr. air) • Investigate energy saving potential for processes (installations, control, etc.)

Effort and depth of this step is based on the knowledge and resources of auditor

• Apply the following criteria to all production processes with heat demand: temperature level, load profile, amount of thermal energy consumed, effort for

Graz, 18. April 2013

6

Erhebung und Darstellung Status Quo

Graz, 18. April 2013

Erhebung und Darstellung Status Quo

Graz, 18. April 2013

7

Optimierung und Einbindung Erneuerbarer

Graz, 18. April 2013

Period of End of Pipe Technologies A better environment has been achieved through additional equipment (filters, scrubbers, incinerators, â&#x20AC;Ś) that needed also more energy and process chemicals

Environmental burden

Degree of resource use

Prozessintensivierung?

time Schnitzer, TU Graz Graz, 18. April 2013

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Period of End of Process Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC) Emission Reduction has been achieved through a reduction of process chemicals and energy needed.

But this has been achieved through further equipment (heat exchangers, membranes, closed cycles, â&#x20AC;Ś)

Environmental burden

Degree of Resource Use

Prozessintensivierung?

time Schnitzer, TU Graz Graz, 18. April 2013

Now PI (Process Intensification) is needed, where also the resource use for equipment is reduced.

Environmental burden

Degree of Resource Use

Prozessintensivierung?

time Schnitzer, TU Graz Graz, 18. April 2013

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Stankiewicz, TU Delft Graz, 18. April 2013

Prozessintensivierung – Mischen und Wärmeübergang Traditionelle Prozesstechnologien •

Rührkesseln mit Wandheizung

•

Tunnelpasteure / Kammerpasteure

•

Autoklaven

•

Plattenwärmetauscher

•

Etc.

Graz, 18. April 2013

10

Warum Änderungen von Prozesstechnologien?

Von Batch-Prozessen zu kontinuierlichen Prozessen •

Hohe Prozesseffizienz, kleine Verweilzeitverteilung, strukturierte Prozesse

•

Gute Prozesskontrolle

•

Geringe Energiedichten (keine Spitzen im Heiz/Kühlbedarf)

•

Geringerer Reinigungsbedarf

•

Geringere Energieverteilungsverluste durch kontinuierlichen Bedarf

Stankiewicz, TU Delft Graz, 18. April 2013

Warum Änderungen von Prozesstechnologien?

Verbesserter Wärme- und Massentransfer

Ferrouillat et a., 2006 Graz, 18. April 2013

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Warum Änderungen von Prozesstechnologien?

Prozesssynergien: Größenminimierung, verbesserter Wärme- und Massentransfer, weniger Reinigung…

Initia l p rocess Feed A

Inten sified p rocess

Fee d B

Feed A

Fe ed B

Mixin g CIP for h old ing ta nk Hol din g

eli mi nating pro ce ss step s reduci ng ene rgy re ducing materia l losses i ncreasi ng process time

Mi xer & Rea ctor

Re acti on

Graz, 18. April 2013

Änderungen von Prozesstechnologien Hohes Optimierungspotential in Industrie (Studien zeigen bis zu >20% Einsparpotential)

Allerdings nicht immer nötig: Optimierungen bestehender Technologien kann auch zu sehr guter Einbindung von erneuerbarer Energie führen • Adaptierung von Wärmetauschern • Änderungen der Prozesskontrolle • Änderungen von Prozesstemperaturen • etc.

•

Neue Lösungen beinhalten nicht zwangsweise Nutzung neuer Prozesstechnologien Graz, 18. April 2013

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Optimierung und Einbindung Erneuerbarer

Graz, 18. April 2013

Systemoptimierung Gegenüberstellung des gesamten Wärmebedarfs zur Wärmeverfügbarkeit Pinch Analyse

Betrachtung des gesamten Wärmesystems inkl.

Wärmetauscher und Speicher als Basis für Einbindung erneuerbarer Energie

Simulationstool SOCO Graz, 18. April 2013

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Industriebeispiel GÖSS Analyse der IST Situation (2008) Prozessoptimierung und Vision/Potential Einbindung Erneuerbarer Energie

Demonstrationsprojekt Biogas aus Trebern Demonstrationsprojekt Solare Prozesswärme

Graz, 18. April 2013

Projektabriss SolarBrew

Solar Brew: Solar Brewing the Future EU FP7 (2012 – 2015) Projekt Nr. 295660

Demonstration der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit von drei solarthermischen Großanlagen im Leistungsbereich >1MWth in der Brauindustrie.

-

Energieeffizienzsteigerung und Solarintegration auf Prozessebene bei Prozesstemperaturen < 80°C

-

Insgesamt >5MWp,th an 3 Standorten + Monitoring (1 Jahr)

-

„Green Brewery Sector Concept“ Training und Dissemination Graz, 18. April 2013

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Projektabriss SolarBrew

Solar Brew: Solar Brewing the Future EU FP7 (2012 – 2015) Projekt Nr. 295660

Projektkonsortium -

AEE INTEC (Koordination)

-

HEINEKEN Supply Chain B.V.

-

GEA Brewery Systems GmbH - Partner Anlagenbau

-

Sunmark A/S - Partner Solarthermie Graz, 18. April 2013

Überblick Energiebedarf in der Industrie Vorgehensweise für die Identifizierung von Optimierungsmaßnahmen Optimierungsmaßnahmen und Einsparpotentiale in der Industrie Ergebnisse aus dem EU Projekt EINSTEIN Ergebnisse aus dem AT Projekt Solarfoods

Graz, 18. April 2013

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EINSTEIN Ergebnisse aus >70 internationalen Energieaudits

Graz, 18. April 2013

EINSTEIN Industries and SMEs with large thermal energy demand at low & medium temperature up to 400ÂşC

Manufacturing sectors: Food industry, Breweries, Pharmaceutical, chemical, Pulp & paper, Textile,â&#x20AC;Ś Large buildings (e.g. commercial centres, hospitals, offices,...)

District heating and cooling networks

Graz, 18. April 2013

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Challenges in energy audits Optimised supply of thermal energy in industry is complex: Developed infustructure in the industry without real data available (esp. SME) Averaged data for different periods Cost and time consuming measurements necessary Processes at different temperature levels and different operating times have to be integrated and combined Combination of different heat supply technologies for an optimised energy supply High acquisition and evaluation demand while the potentials can hardly be foreseen

Graz, 18. April 2013

Approach of EINSTEIN (1) Development of a fast-audit to estimate potentials Standardised data acquisition, modeling and audit steps Automated background calculations

Holistic vision of energy supply and demand Process optimisation demand reduction measures Heat recovery Intelligent combination of heat and cold supply technologies Implementation of renewables

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DATA ACQUISITION AND CHECK

DATA ACQUISITION (QUESTIONNAIRE)

Software

CONSISTENCY CHECK

ENERGY STATISTICS

DATA ANALYSIS BENCHMARKING

PROCESS OPTIMISATION

ALTERNATIVE PROPOSALS: DESIGN

HEAT RECOVERY

HEAT&COLD SUPPLY SYSTEMS ENERGY AND ENVIRONMENTAL PERFORMANCES

ALTERNATIVE PROPOSALS: EVALUATION

ECONOMIC ANALYSIS

ALTERNATIVES COMPARISON

REPORT

REPORTING Graz, 18. April 2013

EINSTEIN – results (2) Comparison present state and proposals Primary energy consumption Energetical evaluation Environmental evaluation Economical evaluation

Report generation

Graz, 18. April 2013

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EINSTEIN - summary EINSTEIN II: Performance of 72 energy audits in 10 European countries (Austria, Germany, United Kingdom, Spain, Italy, France, Luxembourg, Ireland, Slovakia, Bulgaria) Introductory and advanced trainings for energy consultants and auditors in all named participating countries

National projects within additional audits have been performed Release of EINSTEIN 2.2 in December 2012

Graz, 18. April 2013

Audits Summary (1)

Graz, 18. April 2013

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Audits Summary (2)

Primary Energy Consumption 700.000

70%

PEC_new

PEC_savings_%

600.000

60%

500.000

50%

400.000

40%

300.000

30%

200.000

20%

100.000

10%

manufactur

buildings

laundries

food industry

pharma / cosmetic

0% breweries

-

Savings [%]

PEC [MWh]

PEC_origin

Graz, 18. April 2013

Audit Summary (3)

Primary Energy Consumption 600.000

60%

PEC_new

PEC_savings_%

500.000

50%

400.000

40%

300.000

30%

200.000

20%

100.000

10%

-

Savings [%]

PEC [MWh]

PEC_origin

0%

AUT

GER

FRA

ITA

IRL

UK

BUL

SVK

ESP

LUX

Graz, 18. April 2013

20

Audit Summary (4)

Annual energy costs 18.000.000

60%

Costs_origin

16.000.000

Costs_new

Cost savings 50%

12.000.000

40%

10.000.000 30% 8.000.000 6.000.000

Savings [%]

Annual energy costs [â&#x201A;Ź]

14.000.000

20%

4.000.000 10% 2.000.000 -

0%

AUT

GER

FRA

ITA

IRL

UK

BUL

SVK

ESP

LUX

Graz, 18. April 2013

Audit Summary (5)

Chosen measures 25.000

Heat recovery

Solar Thermal

CHP

Boiler efficiency

20.000

15.000

10.000

5.000

manufactur

buildings

laundries

pharma / cosmetic

food industry

breweries

Contrubution [MWh]

Process Optimisation

Graz, 18. April 2013

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Audits Summary (6)

CO2 emissions 120.000

30%

CO2 emissions new

CO2 savings

100.000

25%

80.000

20%

60.000

15%

40.000

10%

20.000

5%

manufactur

buildings

laundries

breweries

pharma / cosmetic

0% food industry

-

Savings [%]

CO2 emissions [t/a]

CO2 emissions origin

Graz, 18. April 2013

Audit Summary (7)

Investment costs LUX 1% AUT 11%

ESP 32%

GER 15%

FRA 8%

SVK 2%

BUL 6% UK 16%

IRL 3%

ITA 6%

Graz, 18. April 2013

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EINSTEIN

Source: http://solarenergie-investment.de/Dachborse.htm

EINSTEIN is a free open source software based on a GPL Lizenz: •www.sourceforge.net/proje cts/einstein EINSTEIN is independent from the operating system •Using Linux, Unix, Windows..

Graz, 18. April 2013

SOLARFOODS CO2-neutrale Energiebereitstellung in der Lebensmittelindustrie der Gegenwart

Graz, 18. April 2013

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Einleitung Thermischer Energieverbrauch der Tabak- und Lebensmittelindustrie (NACE 15,16) 1995: 20.000 TJ 2007: 26.000 TJ Anstieg um 30%

In der Lebensmittelindustrie wird thermische Energie überwiegend im Temperaturbereich zwischen 30 und 150 °C benötigt Diese Temperaturen können mit solarthermischen Anlagen klimaneutral bereitgestellt werden Anstoß zum Projekt „Solarthermie-Branchenkonzepte für die Lebensmittelindustrie“ (Solar Foods)

Graz, 18. April 2013

Erkennbare Tendenzen aus den Fallstudien Abhängig vom Subsektor konnten unterschiedliche Solarintegration-Konzepte bzw.

Potentiale identifiziert werden Solarthermie als Prozesswärme Solarthermie für neue Prozesstechnologien/PI Solarthermie für Brauch- und Reinigungswasser

Einbindung anderer Erneuerbarer Aufgrund teils großer Mengen biogener Abfälle Biogas

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Solarintegration – Konzept 1 Solarthermie als Prozesswärme Wärmebedarf zw. 30°C und 150°C → Pasteurisation, Kochen etc.

Konstante Lastprofile Implementierung von Speichern Hoher solarer Deckungsgrad und ökonomische Implementation → Molkereien → Fleischverarbeitende Industrie → Früchte- und Gemüseverarbeitende Industrie mit kontinuierlichen Lastprofilen

Graz, 18. April 2013

Solarintegration – Konzept 2 Solarthermie für neue Prozesstechnologien/PI Basierend auf einer Technologieanalyse wurde eine Veränderung vorgeschlagen • Veränderung der Prozesstemperatur • Änderung Batch Prozesse zu kontinuierlichen Prozessen

Bereitschaft der Firmen Alle Sub-Branchen

Graz, 18. April 2013

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Solarintegration – Konzept 3

Solarthermie für Brauchwasser Großer Bedarf an Brauchwasser Teilweise mit Kaltwasser und eine Veränderung ist nötig wegen Hygienevorschriften Nach der Integration von vorhandener Abwärme wurde immer noch großes Potential für die Integration von Solarwärme entdeckt Alle Sub-Branchen

Graz, 18. April 2013

Solarintegration

Solarthermie vs. Abwärme Priorität vor Integration von Solarthermie oder anderen Erneuerbaren hat die Nutzung von Abwärme

Graz, 18. April 2013

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Fallbeispiel Schlächterei (1) Prozessoptimierung Reduktion Heizbedarf und Wärmeverluste Prozesse

Wärmerückgewinnung Abgas Heizung Anlieferungshalle u. Nacherwärmung Heizwasser Abwasser Nacherwärmung Warmwasser Amortisation < 1 Jahr

Solarintegration Einbindung in Nacherwärmung Reinigungswasser

Andere Erneuerbare Biogaserzeugung aus Abwasser

Graz, 18. April 2013

Fallbeispiel Schlächterei (2)

- 25% - 36%

- 44% - 60 bis -78%

Graz, 18. April 2013

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Solarintegration - Beispiele Fleischverarbeitende Industrie und Schlächtereien Nacherwärmung des Reinigungswassers in der Produktion

Früchte- und gemüseverarbeitende Industrie Versorgung des Pasteurs Vorwärmung des Frischwassers Nacherwärmung des Reinigungswassers in der Produktion und Vorwärmung der Container CIP

Hersteller von Back- und Dauerbackwaren Nacherwärmung des Reinigungswassers in der Produktion

Milchverarbeitende Industrie Entfettung der Molke Vorwärmung des Frischwassers Nacherwärmung des Reinigungswassers in der Produktion Graz, 18. April 2013

Einsparpotentiale in Subbranchen der LMI

identifizierter Einsparungsbereich Graz, 18. April 2013

28

Anteil Solarenergie am betrachteten Prozess der einzelnen Subsektoren

Graz, 18. April 2013

Vergleich Energiepreise und Zusammenhang Kollektorfl채che

Graz, 18. April 2013

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Conclusio

Das Potential für die Nutzung von Solarthermie in Subbranchen der Lebensmittelindustrie wurde als sehr hoch identifiziert Der Großteil des Wärmebedarfes liegt zwischen 30°C and 120°C Schwierigkeiten bei der Umsetzung Prozesswärmeversorgung mit Dampf / elektrisch Bei Abwärmenutzung oder Solarintegration – Umstellung auf Heißwasserversorgung erforderlich Veränderung der Technologie oft schwierig aufgrund hoher Investitionskosten für Umbauarbeiten vor allem für kleine Firmen

Graz, 18. April 2013

Conclusio

Solarthermie vs. Abwärme Große Mengen an Abwärme von Kühl- und Tiefkühlräumen vorhanden Abwärme kann perfekt mit Reinigungsprozessen kombiniert werden (wenn noch nicht vorhanden) In Firmen mit geringem thermischen Energiebedarf (hauptsächlich Reinigung) kann ein großer Teil dieser Energie durch Abwärmenutzung bereitgestellt werden Früchte- und Gemüseverarbeitende Industrie und Fleischverarbeitende Industrie

Graz, 18. April 2013

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Projektpartner

Das Projekt ist co-finanziert durch den „Klima- und Energiefonds“ im Rahmen des Programmes „NEUE ENERGIEN 2020“

Graz, 18. April 2013

Optimierungen in der Industrie

Bettina Muster AEE – Institut für Nachhaltige Technologien A-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19 AUSTRIA

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