Energiebedarf und Kosten senken in der Industrie€“-Pr... · Prof. Dr. Beat Wellig Hochschule Luzern – Technik & Architektur Leiter Kompetenzzentrum (CC) Thermische Energiesysteme

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:


Gruppe Beat Wellig: Thermische Energiesysteme und Verfahrenstechnik

Gruppe Jörg Worlitschek: Thermische Energiespeicher

Gruppe Mirko Kleingries: Sorption

Gruppe Thomas Nussbaumer: Bioenergie und Nachhaltigkeit

Unsere Forschungsgruppen:


z.B. Hocheffiziente Niederhub-Wärmepumpen

In Zusammenarbeit mit der BMS Energietechnik AG und BS2 AG


z.B. Leistungsgeregelte Wärmepumpen (BFE)

Markante Effizienzsteigerung durch optimale Leistungsregelung


z.B. Geschirrspüler mit Wärmepumpe (V-ZUG AG)

«Weltmeister im Energiesparen»: A+++ minus 40%

Spray


z.B. Thermosiphon-Wärmeübertrager (BFE)

«Schmutzresistenter» Wärmeübertrager für die Abwärmenutzung


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


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


231 kW

154 kW

308 kW


Tem

pera

tur

[°C]

Wärmeleistung [kW]

Jähr

liche

Kos

ten

[CH

F/a]

∆Tmin [K]

Betriebskosten Investitionskosten 56 m2


154 kW

77 kW

386 kW


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


z.B. Unternehmen aus Lebensmittelindustrie: Betriebsfall «Reduzierte Produktion, Übergangszeit», mit Wärmepumpe

WRG Kühlung

Kondensator

Verdampfer


z.B. Unternehmen aus Lebensmittelindustrie: Betriebsfall «Reduzierte Produktion, Winter», mit Wärmepumpe

Kondensator

Verdampfer

Heizung WRG


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?


- 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?


- 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?


Wie ist der Ablauf einer Pinch-Analyse?


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!


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


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 [email protected]

Beat Wellig

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