und Getränkeindustrie zum Upcycling von

Nutreon®
Einsatz von Hochtemperaturwärmepumpen in der Nahrungsmittelund Getränkeindustrie zum Upcycling von niederkalorischer Abwärme
14. FEI-Kooperationsforum am 28. April 2015
Dr.-Ing. Jan-Christoph Stoephasius
© Nutreon, Mainz ‒ April 2015
Nutreon® ist auf die Prozesskostenoptimierung in der
Nahrungsmittel- und Getränkeindustrie spezialisiert.
Wärme-Upcycling zielt auf die Substitution von Endenergie
durch aufbereitete Abwärme auf höherwertigem Niveau
– Schematisches Energieflussdiagramm typischer N&G-Betriebe –
Primärenergie
Steinkohle, Rohöl
Chemische
Aufbereitung
Unternehmensgrenze
Nutzenergieeinsatz
Druckluft
40 / 80 °C
Kälte
Sekundärenergie
Heizöl, Erdgas
30..35 °C
Licht
diffus
Kraftwerk,
Transportnetz
Mechanische
Antriebe
diffus
Endenergie
Strom, Erdgas
Dampf
 Prozessbedarf
 Erhitzen
 Abkühlen
 Bewegen
 Mischen/ Trennen
 ...
 Beleuchtung
 Heizung/ Erwärmen
 Klimatisierung
40..>100 °C
Heißwasser
20..>100 °C
diffus
Abwärme
Upcycling
FEI - 2015-04-28 - Upcycling via HT-WP
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Die Rentabilität vieler Projekte zur Abwärmenutzung scheitert
an zu geringem Energiebedarf unterhalb 90 °C
– Wärmeeinsparpotenzial durch Recycling –
Beispiel, anonymisiert
4.000
Erdgasaufnahme / kW
3.500
3.000
2.500
NT-Last
2.000
Erdgas
1.500
Recycling
1.000
500
36 %
0
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
Jahresstunden
6.000
7.000
8.000
9.000
Beispiel: Getränkehersteller mit überwiegendem PET-Einweg-Anteil (hoher Anfall
niederkalorischer Abwärme aus Druckluftkompressoren)
 Maximales Einsparpotenzial limitiert durch Leistung Wärmerückgewinnung und Verbrauch
an Niedertemperaturwärme für Zuckerlösestation, CIP, Warmwasser, etc.
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Mit Upcycling wird der Anwendungsbereich von Abwärme
z.B. aus der Drucklufterzeugung deutlich gesteigert
– Wärmeeinsparpotenzial durch Upcycling –
Beispiel, anonymisiert
4.000
Erdgasaufnahme / kW
3.500
3.000
2.500
2.000
Erdgas
Upcycling
1.500
1.000
65 %
500
0
0
1.000
2.000
3.000
4.000
5.000
Jahresstunden
6.000
7.000
8.000
9.000
 Maximales Einsparpotenzial wird nur noch durch Leistung Wärmerückgewinnung limitiert
 Deutlich höhere Betriebstundenzahl steigert oder ermöglicht erst rentablen Betrieb
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Durch Einsatz einer Wärmepumpe kann die Temperatur der
Abwärmeenergie wirtschaftlich um ca. 30 K erhöht werden
– Wirtschaftliches Fenster für Upcycling mit Wärmepumpe –
Berechnungsbeispiel
Abwärme: 70 °C
Stromkosten: 150 €/MWh
Erdgaskosten: 50 €/MWh
Wirkungsgrad Heizkessel
(bezogen auf Brennwert): 85%
Abschreibung + Betriebskosten
Wärmepumpe: 24.000 €/a
25.000
15.000
10.000
5.000
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
-5.000
COP
Einsparpotenzial €/GWh
20.000
-10.000
-15.000
Temperaturerhöhung T / K
40
35
30
25
20
15
10
5
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Temperaturerhöhung T / K
 Gute Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe bei Temperaturerhöhung um bis zu 30 K
(in Sonderfällen bis zu 40 K)
 Endtemperaturen von 120 °C sind realisierbar
 Einspeisung in Niederdruckdampf- oder Druckheißwassernetz möglich
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In diesem Beispiel wird die Leistung der bestehenden 8 barDruckluft-Wärmerückgewinnung deutlich gesteigert
– Wärmepumpe zur Einkopplung HD-Abwärme –
80°C
Niederdruckkompressor
8 bar
70°C
ca. 200 kW th.
Beispiel
Puffer /
Hydraulische
Weiche
Wärmepumpe
80°C
Prozess
1.060 kW
th.
Strom
COP = 4,4
160 kW el.
Rücklauf
40°C
Hochdruckkompressor
35 bar
35°C
ca. 700 kW th.
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Die Wärmepumpe ermöglicht die Einkopplung der gesamten
BHKW-Abwärme in das werkseigene Dampfnetz
– Beispiel: Nutzung der Motorabwärme eines BHKW‘s –
Abgas
>500°C
Dampferzeuger
ca.120°C
120°C
120°C
~80°C
BHKW
Brennwerttechnik
Wärmepumpe
Motor
85°C
integr.
Dampferzeuger
ca. 120°C
85°C
75°C
Strom
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Projektbeispiel
Direktdampferzeugung in
der Wärmepumpe
Dampf aus Abgaswärmetauscher wird
unmittelbar in das
Dampfnetz eingekoppelt
Restwärme Abgas wird
über Heißwasserwärmetauscher in das Heißwassernetz eingespeist
(Brennwerttechnik)
Durch Upgrading der
Motorabwärme des
BHKWs über eine
Wärmepumpe kann
auch diese Energie dem
Dampfnetz zugeführt
werden
Prozessverbrauch Strom
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Zusammenfassung und Ausblick
Wirtschaftliche Bedeutung für das Upcycling niederkalorischer Abwärme:
Kompressoren, Verdichter, BHKW, ...
Gängige Ansätze wie z.B. die unmittelbare Einkopplung an spezifischen
Wärmeverbrauchern scheitern häufig am Investitionsaufwand oder der zu niedrigen
Gleichzeitigkeit zwischen Wärmebereitstellung und Wärmeabnahme.
Einsatz von Hochtemperaturwärmepumpen ermöglicht ein Upcycling dieser Abwärme auf
ein Niveau von ca. 120 °C bei vertretbarem Energieaufwand
Einspeisung der so aufbereiteten Abwärme ins Druckheißwasser- oder
Niedertemperaturdampfnetz
– kein Eingriff in den laufenden Betrieb
– Deckung des Grundlastbedarfs der Wärmeversorgungsnetze
– i.d.R. weniger Investitionskosten
Ausblick und Ansätze zur Diskussion
– Erhöhung der zulässigen Anwendungstemperaturen über 120 °C
– Nutzbarmachung niederkalorischer Abluft
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Willkommen bei Nutreon®
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An der Goldgrube 43
55131 Mainz
Germany
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www.nutreon.de
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