Van restwarmte naar proceswarmte

Transcriptie

1 Projectvoorstel TETRA-IWT: Van restwarmte naar proceswarmte Voor uitvoering 01/10/ /09/2013 ing Bruno Vanslambrouck HOWEST Laboratorium Industriële Fysica en Toegepaste Mechanica 1

2 Problematiek industriële restwarmte: Stappenplan: Situering 1. Vermijd ontstaan restwarmte binnen proces 2. Recupereer restwarmte voor hergebruik binnen proces 3. Recupereer restwarmte voor hergebruik binnen andere processen binnen (of buiten) bedrijf warmtenetwerk 4. Transformeer restwarmte naar een bruikbaar temperatuursniveau of een andere energievorm 5. Koel restwarmte weg 2

3 Situering 4. Transformeer restwarmte naar een bruikbaar temperatuursniveau of andere energievorm Van restwarmte naar elektriciteit: Organische Rankinecyclus (ORC): TETRA s 2007 en 2009 Stoomcyclus (Stirlingmotoren: klein, experimenteel) Van restwarmte naar koude: Ab- en adsorptiekoeling Stoomejectorkoeling Verhogen temperatuur tot niveau, bruikbaar binnen proces Compressiewarmtepomp Damprecompressie (open warmtepomp) Ab- en adsorptiewarmtepomp 10/12/ nd User Group Meeting, MIROM Roeselare 3

4 Situering ORC: onderwerp momenteel lopend onderzoek 1ste TETRA-IWT project ( ): Restwarmterecuperatie via Organische Rankine Cyclus bij hernieuwbare energietoepassingen 15 bedrijven en organisaties in Gebruikersgroep, 5 case studies 2de TETRA-IWT project ( ), eveneens Europees ERA-SME project: Waste heat recovery via Organic Rankine Cycle 36 leden in Vlaamse Gebruikersgroep, 8 in Duitse, 10 case studies in Vlaanderen Cases: warmtestromen van 200 kwth tot ca 25 MWth temperatuurniveau s van ca 85 C tot meer dan 800 C 10/12/ nd User Group Meeting, MIROM Roeselare 4

5 Situering Bevindingen ORC: PBT < 3 jaar bij hernieuwbare energie IRR > 15% soms haalbaar bij niet hernieuwbare, industriële restwarmte (in functie E-prijs en complexheid inpassing) omzettingsrendement warmte elektriciteit Restwarmtetemperatuur: en > Rendement: 4-5% 9-12% 15-17% 18-23% Zoeken naar betere valorisatiemogelijkheid restwarmte < 100 C Hoge temperatuur industriële warmtepomp (HT IWP) is mogelijkheid als proceswarmte op hogere t nodig is. 5

6 Hoe HT IWP ontwikkelen? Sommige (lage temperatuur) ORC s zijn omgekeerde koelmachines: - verdamper en condensor omwisselen (verdampen/condenseren op hoge/lage t ) - compressor wordt expander, motor wordt generator - expansieventiel wordt pomp 6

7 Hoe HT IWP ontwikkelen? Daarna wordt druk opgevoerd (tot max) en werkmedium vervangen voor verdampen/condenseren op hogere temperatuur. ORC (rechts) kan restwarmte van 140 en hoger omzetten in elektriciteit. T cond = 33 C 7

8 Hoe HT IWP ontwikkelen? Hoge temperatuur warmtepomp: - Configuratie koelmachine behouden - Druk opdrijven (naar max) en medium vervangen - Delta t s over verdamper en condensor omkeren In dit vb (zie fig.): HT IWP tussen ca C (restwarmte) en C (proceswarmte) Bestaat als ORC: Pure Cycle 280 (250 kwe) P cond = 20 bar T condensor = 125 C P evap = 2 bar T evaporator = 33 C 8

9 Hoe HT IWP ontwikkelen? Heel wat ORC s gebruiken expanders, afkomstig uit de koeltechniek. Via voorgestelde werkwijze kunnen hier HT IWP van afgeleid worden voor nog hogere output t dan bij vorig voorbeeld. Dubbelschroefexpander Monoschroefexpander Lysholm expander Scrollexpander Volgend voorbeeld ter verduidelijking van onze zienswijze: 9

10 Hoe HT IWP ontwikkelen? Biomassa wkk Hartberg (Oostenrijk) met 2 traps-dubbelschroefexpander In: stoom 255 C, uit: water (condensor) in/uit ca 60/80 C 10

11 Hoe HT IWP ontwikkelen? Enkele werkingsparameters (als omzetter warmte naar elektriciteit): Steam power input: kw Steam flow rate: 8,1 t/h Steam parameters inlet: bara Gross/net nominal electric capacity: 730/710 kw Thermal capacity of the condenser: kw Steam parameters outlet: ,5-1,5 bara Electrical efficiency at nominal load operation: 12,6 % Low-pressure stage (left), high-pressure stage (middle), gear unit and generator (right) 11

12 Prestaties HT IWP Als warmtepomp zou deze installatie warmte kunnen leveren op C vanuit restwarmte van C (als de drukverhoudingen als compressor vergelijkbaar zijn met deze bij expanderwerking, wat te onderzoeken is). Belangrijke parameter: COP (Coefficient of Performance) (verhouding warmtevermogen uit / aandrijfvermogen warmtepomp) Realistische doelstelling bij HT IWP: COP = 2,7 en hoger, ifv t -verschil tussen lage en hoge t stroom (hoe kleiner dit verschil, hoe beter). Er wordt primaire energie (CO2) bespaard bij een COP vanaf ca 2,6 Bij huidige energieprijzen voor grote industrie (ca EUR 22/MWh voor gas en EUR 85/MWh voor E) wordt via E-aangedreven HT IWP maar op energiekosten bespaard bij COP vanaf ongeveer 4! (Men voorziet echter verhouding E/gas-prijs eerder 3 dan 4 in toekomst) 12

13 Hoe HT IWP aandrijven? Oplossing indien COP < 4 (meestal bij HT IWP): HT IWP rechtstreeks aandrijven met verbrandingsmotor of gasturbine. Restwarmte motor of gasturbine te integreren in geheel (bv. motorkoelwater aan inputzijde, output bijverwarmen met rookgassen om kleinere delta t te bekomen over warmtepomp). Met dit concept is een daling van het gasverbruik van ca 25 tot 40% haalbaar voor zelfde proceswarmteproductie. Variante: motor/gasturbine elektriciteit laten produceren en HT IWP hiermee elektrisch aandrijven. Nadeel: rendementsverlies door verliezen generator en elektromotor Voordeel: flexibeler (ook bruikbaar indien motor/gasturbine in onderhoud of defect MAAR 13

14 Hoe HT IWP aandrijven? Het blijkt economisch interessanter om elektriciteit andere bestemming te geven binnen bedrijf en warmte enkel via warmterecuperatie op motor/gasturbine te produceren: oplossing is dan gewone wkk en de bedoelde restwarmte wordt niet gerecupereerd! Toch is dit verdedigbaar, wkk is een energiebesparende technologie. Als elektriciteit zou moeten teruggeleverd worden aan net (waarde ca 40 /MWh) is gebruik voor aandrijving HT IWP wel interessant. Alle oplossingen waarbij een verbrandingsmotor/gasturbine met warmterecuperatie wordt ingezet (dus wkk) kunnen in aanmerking komen voor wkk-certificaten. 14

15 Welke HT IWP bestaan? IWP: groter dan WP voor residentieel gebruik HT IWP: levert warmte vanaf ca C! Limiet (huidig marktaanbod): ca 90 C!! Scope 15

16 Welke HT IWP bestaan? 16

17 Voorbeeld HT IWP 17

18 Voorbeeld HT IWP YORK industrial HVAC products 18

19 Voorbeeld HT IWP Aangekondigd: Output tot 130 C! (superkritische CO2-cyclus) 19

20 Voorstel projectinhoud marktonderzoek huidig aanbod HT IWP principe-ontwerp HT IWP - onderzoek (literatuur en eigen simulaties) geschikt werkmedium - onderzoek (literatuur en eigen simulaties) optimale kringlopen (klassiek, recuperator, twee- of meertraps, cascade ) - onderzoek geschikte compressoren en andere componenten - integratie restwarmte aandrijfmachine (indien verbrandingsmotor of gasturbine) Bestaande ORC s zullen hierbij een belangrijke bron van inspiratie zijn. bouw demo HT IWP voor integratie op bestaande teststand ORC onderzoek economische randvoorwaarden toetsing aan praktijk via uitwerking industriële case studies (technische haalbaarheid en kosten/baten-analyse) 20

21 Voorstel projectinhoud Scoop: van C (restwarmte) naar 80 à 90 C (proceswarmte) via beschikbare HT IWP van C naar C via in dit onderzoek ontworpen (of ondertussen op markt geïntroduceerde) HT IWP Toepassingsvoorbeelden (niet limitatief): - Voedingsindustie: Input: condensatiewamte dampen uit blancheer-, kook-, braad-, frituur, processen (80-95 C) Output: lage druk stoom voor deze processen, opwarming frituurolie ( C) - Drooginstallaties (al dan niet gesloten principe): Input: condenswarmte damp uit afvoer (60-80 C) Output: verwarming verse drooglucht 21

22 Voorstel projectinhoud - Wasserijen: Input: warmterecuperatie uit afvalwater (30-70 C) Output: warm water of lage druk stoom - Alle andere industriële processen met beschikbare restwarmte en nood aan proceswarmte binnen de voorgestelde scoop 22

23 Voorstel projectinhoud Indien Europees samenwerkingsverband realiseerbaar: Integratie alternatieve warmtepomptechnologieën binnen projectvoorstel: - ab- en adsorptiewarmtepomp - stoomejectorwarmtepomp - Thermo-akoestische warmtepomp Eventueel: koudeproductie via bovenvernoemde technieken Dit in overleg met buitenlandse onderzoekspartners, waarbij onderzoeksresultaten in dit verband bij voorkeur door hen aangeleverd worden. 23

24 ORC HOWEST 24

25 Contact Het restwarmte-projectteam: ir. Sergei Gusev HOWEST, opleiding Elektromechanica Graaf Karel de Goedelaan 5, B-8500 Kortijk Mail: Tel: of (dir) ing. Bruno Vanslambrouck ir. Ignace Vankeirsbilck 25