Projectvoorstel TETRA-IWT:
Van restwarmte naar proceswarmte Voor uitvoering 01/10/2011-30/09/2013
ing Bruno Vanslambrouck HOWEST Laboratorium Industriële Fysica en Toegepaste Mechanica
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
1
Situering Problematiek industriële restwarmte: Stappenplan: 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
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
2
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 • …
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
3
Situering ORC: onderwerp momenteel lopend onderzoek 1ste TETRA-IWT project (2007-2009):
Restwarmterecuperatie via Organische Rankine Cyclus bij hernieuwbare energietoepassingen 15 bedrijven en organisaties in Gebruikersgroep, 5 case studies 2de TETRA-IWT project (2010-2012), 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
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
4
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 Restwarmtetemperatuur: 85° Rendement: 4-5%
elektriciteit 130° 9-12%
180° 15-17%
300°en > 18-23%
Zoeken naar betere valorisatiemogelijkheid restwarmte < 100°C Hoge temperatuur industriële warmtepomp (HT IWP) is mogelijkheid als proceswarmte op hogere t° nodig is. 10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
5
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
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
6
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.
Tcond = 33°C
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
7
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 40-50°C (restwarmte) en 110-115°C (proceswarmte)
Pcond = 20 bar
Tcondensor = 125°C
Pevap = 2 bar
Tevaporator = 33°C
Bestaat als ORC: Pure Cycle 280 (250 kWe)
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
8
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: 10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
9
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
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
10
Hoe HT IWP ontwikkelen ? Enkele werkingsparameters (als omzetter warmte naar elektriciteit): Steam power input: 5.640 kW Steam flow rate: 8,1 t/h Steam parameters inlet: 255° C @ 25 bara Gross/net nominal electric capacity: 730/710 kW Thermal capacity of the condenser: 4.800 kW Steam parameters outlet: 80-110° C @ 0,5-1,5 bara Electrical efficiency at nominal load operation: 12,6 %
10/12/2010
Low-pressure stage (left), high-pressure stage (middle), gear unit and generator (right) 2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
11
Prestaties HT IWP Als warmtepomp zou deze installatie warmte kunnen leveren op 200240°C vanuit restwarmte van 90-120°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) 10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
12
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… 10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
13
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.
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
14
Welke HT IWP bestaan ? IWP: groter dan WP voor residentieel gebruik HT IWP: levert warmte vanaf ca 65-70°C !
Scope
Limiet (huidig marktaanbod): ca 90°C !!
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
15
Welke HT IWP bestaan ?
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
16
Voorbeeld HT IWP
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
17
Voorbeeld HT IWP YORK® industrial HVAC products
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
18
Voorbeeld HT IWP
Aangekondigd: Output tot 130°C ! (superkritische CO2-cyclus)
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
19
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)
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
20
Voorstel projectinhoud Scoop: • van 20…60°C (restwarmte) naar 80 à 90°C (proceswarmte) via beschikbare HT IWP • van 80-100°C naar 120-200°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 (130-180°C) - Drooginstallaties (al dan niet gesloten principe): Input: condenswarmte damp uit afvoer (60-80°C) Output: verwarming verse drooglucht 10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
21
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
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
22
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.
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
23
ORC testfaciliteit @ HOWEST
10/12/2010
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
24
Contact
Het restwarmte-projectteam:
ir. Sergei Gusev
ing. Bruno Vanslambrouck
ir. Ignace Vankeirsbilck
HOWEST, opleiding Elektromechanica Graaf Karel de Goedelaan 5, B-8500 Kortijk Mail:
[email protected] Tel: +32 56 241211 of +32 56 241227 (dir) www.howest.be 10/12/2010
www.orcycle.eu
2nd User Group Meeting, MIROM Roeselare
25
