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GEWINNUNG VON PROZESSWÄRME AUS ABWÄRME Ch. Bienert, H. Jung, M. Müller, B. Pacan
Inhaltsverzeichnis
Seite
1 Zusammenfassung... 3
2 Abstract ... 5
3 Einleitung ... 7
3.1 Energiebedarf und Kostensituation ... 7
3.2 Einsatz von Wärmepumpen ... 12
3.3 Stand der Technik ... 12
3.4 Forschungsbedarf ... 15
4 Forschungsziel ... 15
5 Material und Methoden ... 16
5.1 Prozessanalysen ... 16
5.1.1 Vorgehen ... 16
5.1.2 Messverfahren ... 17
5.1.3 Pinch-Analyse ... 18
5.1.4 Prozesssimulation ... 19
5.2 Stoffaufbereitung bei höheren Temperaturen ... 20
6 Prozessanalysen ... 22
6.1 Untersuchte Werke ... 22
6.2 Bewertung des Ist-Zustands der untersuchten Papierfabriken ... 24
6.3 Bewertung des Ist-Zustands in der Brauerei ... 26
6.4 Prozessanalysen in BHKW-Anlagen ... 27
6.5 Konzepte zur Wärmeintegration in der Papierindustrie ... 28
7 Stoffauflösung bei höheren Temperaturen in der Papierindustrie ... 33
7.1 Mischung aus leicht zerfaserbarem Altpapier und schwer zerfaserbarem Krafttragekarton .. 33
7.1.1 4 % Stoffdichte ... 33
7.1.2 15 % Stoffdichte ... 35
7.2 Schwer zerfaserbare Altpapiersorten ... 36
7.2.1 Krafttragekarton ... 36
7.2.2 Papiersorten im Vergleich ... 37
7.3 Nassfestes Papier ... 39
8 Einsatz von Wärmepumpen in Biogasanlagen... 40
8.1 Optimierung des Biogasprozesses ... 40
8.2 Entwicklung der Steuerung ... 42
9 Prozessintegration ... 45
9.4 Vorwärmung der Haubenzuluft ... 49
9.5 Wärmerückgewinnung im Wasserkreislauf ... 50
9.6 Einsatz einer HTWP bei TDH ... 51
9.7 Praxisuntersuchung zur HTWP am Energiepark ... 52
10 Schlussfolgerungen ... 56
Literaturverzeichnis ... 56
1 Zus ammenfas s ung
Zielstellung Das Ziel des Gesamtprojektes war es, einen wirtschaftlichen Einsatz von Wär- mepumpen in der Industrie aufzuzeigen. Dazu wurden Prozessanalysen sowie Untersuchungen zu industriellen Anwendungen von Wärmepumpen und zur Papiererzeugung bei hohen Prozesstemperaturen durchgeführt. Darüber hin- aus wurde eine Hochtemperatur-Wärmepumpe für den industriellen Einsatz entwickelt, um aus Abwärme Prozesswärme zu gewinnen.
Prozessanalysen Es wurden drei Papierfabriken sowie eine Brauerei untersucht und hinsichtlich ihres Wärmeeinsatzes bewertet. Auf dieser Basis wurden Maßnahmen zur Wärmeintegration und Einsatzmöglichkeiten für Wärmepumpen erarbeitet. Alle drei Papierfabriken setzten Wärme nur in Form von Dampf ein, der Wärmebe- darf ist typisch für den jeweiligen Sortenbereich. In allen Werken konnten den- noch Potenziale für weitere Wärmeintegrationsmaßnahmen identifiziert werden.
Dies gilt auch für die untersuchte Brauerei.
Im Rahmen dieses Projektes wurden Wasser–Wasser, Luft–Wasser und Luft–
Luft-Wärmetausch zur Wärmerückgewinnung berücksichtigt: Die Ergebnisse zeigen, dass sich durch Wärmeintegrationsmaßnahmen der spezifische Ener- giebedarf wirtschaftlich sinnvoll reduzieren lässt. Ökonomisch attraktive Ener- gieeinsparungen sind insbesondere dann möglich, wenn Frischdampf ersetzt werden kann. Eine hohe Wirtschaftlichkeit ist außerdem meist dann gegeben, wenn Wärmequellen und –senken möglichst lokal gekoppelt werden. Die wirt- schaftliche Bewertung von Maßnahmen zur Wärmeintegration hängt somit stark von lokalen Gegebenheiten ab und ist von Fall zu Fall zu prüfen.
Stoffauflösung in der Papierindust- rie
Die Ergebnisse haben gezeigt, dass schwer zerfaserbare Altpapiersorten bei geringen Stoffdichten entsprechend der Viskosität des Wassers mit steigender Temperatur besser aufgelöst werden. Aus wirtschaftlichen und technologischen Gründen sollte allerdings die Temperatur nicht größer als 50 °C sein.
Bei höheren Stoffdichten überwiegen jedoch die Scher- und Reibkräfte bei der Stoffauflösung, so dass dadurch eine bessere Zerfaserung erreicht werden kann, die durch eine Temperaturerhöhung nur in geringem Maße verbessert werden kann.
Biogasanlagen Durch den Einsatz einer Hochtemperaturwärmepumpe (HTWP) kann der Be- trieb von Biogasanlagen zukünftig wärmeenergieautark erfolgen. Damit kann das Biogas dort verstromt werden, wo die Wärmeenergie effizient genutzt werden kann (z.B. Industrieanlagen). Biogasanlagen können in Verbindung mit einer HTWP auch zur Speicherung von Wärmeenergie genutzt werden, die bedarfsweise in ein Nahwärmenetz eingespeist werden kann. Durch den Ein- satz von HTWP können zukünftig Bioraffineriekonzepte realisiert werden, die energieautark eine stofflich-energetische Nutzung von Restbiomassen ermögli-
50 kW liegt. Die Abhängigkeit von fossilen Energieträgern kann reduziert wer- den.
Einsatz in der
Industrie Wärmepumpen sind in der Papierindustrie bislang noch kaum anzutreffen.
Bisherige Einsatzstellen von Wärmepumpen in der Papierindustrie beschränken sich in der Regel auf den Einsatz von Thermokompressoren. Neue Entwicklun- gen, wie sie im Rahmen dieses Projektes untersucht wurden versuchen die bestehenden Limitierungen zu beseitigen und damit neue Einsatzmöglichkeiten für Wärmepumpen in der Papierindustrie zu erschließen.
Die Einbindungsmöglichkeiten sind dabei vielseitig. Basierend auf den Ergeb- nissen der Systemanalysen wurden im Rahmen dieses Projektes folgende Optionen untersucht: Erzeugung von Niederdruckdampf, Hochtemperaturstoff- auflösung, Vorwärmung der Haubenzuluft und Wärmerückgewinnung im Was- serkreislauf. Die Berechnungen wurden anhand einer Modellpapierfabrik mit Branchen typischen Daten durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich in einigen Fällen wirtschaftlich interessante Einsatzmöglichkeiten ergeben, aber auch weitere Entwicklungen im Bereich Wärmepumpentechnologie notwendig sind.
Schluss-
folgerung Die Ergebnisse haben gezeigt, dass Wärmepumpen insbesondere Hochtempe- raturwärmepumpen zahlreiche Einsatzmöglichkeiten in der Papierindustrie und bei Biogasanlagen haben können. Dabei sind lokale und monetäre Rahmenbe- dingungen zu berücksichtigen, damit auch eine Wirtschaftlichkeit gegeben ist.
Danksagung für Forschungsvor- haben mit koope- rierender For- schungsvereini- gung
Das Forschungsvorhaben IGF CORNET 63 EN der kooperierenden AiF- Forschungsvereinigungen PTS und PFI wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Dafür sei an dieser Stelle herzlich gedankt.
Unser Dank gilt außerdem den beteiligten Firmen der Papier- und Zulieferin- dustrie, den Biogasanlagen und den Beratungsunternehmen sowie vor allem unseren Belgischen Projektpartnern HOWEST, UGent und Flemish User Group für die Unterstützung der Arbeiten.
2 Abs tract
Objective The overall goal of the project was to show the economical use of heat pumps in industrial environment. A new technology (high temperature heat pump – HT HP) was developed, aiming at upgrading process heat by the use of unavoida- ble waste heat.
This solution can be a key-technology to decrease the excess of waste heat into the environment and to reduce the energy demand for energy-intensive indus- tries like pulp and paper, food, brick, chemical and textile.
Process analysis Three paper mills and a brewery were examined and concerning their thermal input evaluated. On this basis measures for heat integration and application possibilities for heat pumps were prepared.
All three paper mills apply heat only in form of steam. The heat demand is typical for the corresponding grade. Potentials for heat integration measures could be identified in all investigated mills and in the brewery.
Within the framework of the project water-water, air-water and air-air heat ex- change were considered for waste heat recovery. The results show that the specific heat demand can be reduced by heat integration measures in an eco- nomical meaningful way. Economic attractive savings of energy is particularly possible if fresh steam can be replaced. A good and high economy is given if heat sources and heat sinks can be interconnected locally. The economic assessment of heat integration measures depends largely upon the local condi- tions and is to be proved in each case.
High temperature
pulping The results show that poorly degradable paper grades can be disintegrated better with low consistencies and increasing temperatures respectively to viscosity of water. Economic and technological reasons restrict the temperature up to 50°.
With higher consistencies the shear and friction forces predominate so that there- fore a better defibration can be achieved. In this case, an increase of the tem- perature improves in the defibration only to a minor degree.
Biogas plants Through the application of high temperature heat pumps (HTHP) a thermal energy self-sufficient operation of biogas plants will be possible in the future.
Thereby, the biogas can be converted to electricity at a location where the heat can be used for processes (industrial sites, etc.). Biogas plants in combination with HTHPs can also be used to store thermal energy, which can be fed into a district heating grid when needed. With the application of HTHPs, bio refinery concepts can be realised in the future that enable an energy self-sufficient utilization and valorisation of waste biomass. HTHPs can also be used to sup- port the process stability of thermal treatment of liquid media (e.g. thermal pressure hydrolysis of sewage sludge), as long as the required heat load is above 50 kW. The dependency of fossil energy sources can be reduced.
Industry applica-
tion Current applications of heat pumps in paper industry are seldom and mostly thermo-compressors can be found to reuse flash steam in the drying section.
The possibilities are miscellaneous. Based on the system analysis results the following options were examined: Make-up of low-pressure steam, high temper- ature pulping, pre-heating of supply air, upgrading of process water tempera- ture. Calculations based on a model mill using industrial sector typical data were done. The results show economic interesting applications in some cases, but also a need in further constructions of heat pumps-
Conclusions The project results show a lot of applications for heat pumps and especially for high temperature heat pumps in the paper, textile, food, construction industry and in biogas plants. Local and monetary basic conditions should be considered to get a good economy.
Acknowledgeme
nt The research project CORNET 63 EN of the co-operating research associations PTS and PFI was funded by the German Federal Ministry of Economic Affairs and Energy within the programme of “promoting pre-competitive joint research”
and carried out under the umbrella of the German Federation of Industrial Co- operative Research Associations (AiF). We would like to express our sincere thanks for this support.
We would also like to thank the companies of the paper, textile and food pro- cessing sectors, the biogas plants and the consulting firms as well as the Bel- gian project partners HOWEST, UGent and the Flemish User Group for sup- porting the project works.
3 E inleitung
3.1 E nergiebedarf und K os tens ituation Energiebedarf
Papierindustrie Die Papierindustrie gehört neben den Branchen Baustoffe, Chemie, Glas, Nichteisen-Metalle und Stahl zu den energieintensiven Industrien in Deutsch- land, obwohl der spezifische Energiebedarf in den letzten Jahrzehnten deutlich reduziert werden konnte (Abbildung 1). Mit im Jahr 2010 durchschnittlich 3.139 kWh/t [1] liegt die deutsche Papierindustrie dabei deutlich unter dem europäi- schen Mittelwert (3.850 kWh/t [2]). Mit Veröffentlichung der "Roadmap to a low- carbon bio-economy" hat sich die CEPI zum Ziel gesetzt die CO2-Emissionen in der "holzfaserbasierten Industrie" bis 2050 um 80 % im Vergleich zu 1990 zu reduzieren [3] und damit den Weg zu einer weiteren Reduzierung des Energie- bedarfs weiter voranzutreiben.
Abbildung 1 Energiebedarf in der deutschen Papierindustrie [1]
Energiekosten deutsche Papier- industrie
Die Energiekosten stellen für die deutsche Papierindustrie einen wesentlichen Kostenfaktor dar. Neben den Rohstoffkosten sind sie in den letzten Jahren am stärksten angestiegen. So betrug der Anteil der Energiekosten, bezogen auf den Umsatz, in den letzten Jahren stets mehr als 10 %. Der effiziente Umgang mit Energie entscheidet somit über die Produktivität eines gesamten Standor- tes.
Abbildung 2 Energiekosten in Prozent des Umsatzes [1]
Bestandteile
Strom- /Gaspreis Der Gas- bzw. Strompreis setzt sich aus drei Hauptbestandteilen zusammen [4]. Diese sind:
• Energiepreis inkl. Beschaffung und Lieferung
• Preis für die Netznutzung (Netznutzungsentgelt)
• Diverse Abgaben, Umlagen und Steuern
Ein Teil dieser Steuern und Abgaben wird der energieintensiven Industrie unter bestimmten Voraussetzungen erlassen, so dass sich deren Anteil am Strom- preis reduziert.
Abbildung 3 Anteil der Steuern, Abgaben und Netzentgelte am Strom- preis in Abhängigkeit vom Strombezug [5]
Strompreis im europäischen Vergleich
Die einzelnen Elemente des Strompreises tragen, wie nachfolgende Abbildung illustriert, in den einzelnen europäischen Ländern unterschiedlich zum Strom- preis bei.
Abbildung 4 Vergleich europäischer Strompreise [6]
0 50 100 150 200 250
BU TR EL FR SE HR EE FI PT RO NL ES SI PL LV BE UK HU IT CZ SK DE CY DK Without taxes, levies, vat taxes, levies and vat
€/MWh
Gaspreis im europäischen Vergleich
Auch die einzelnen Elemente des Gaspreises tragen in den einzelnen europäi- schen Ländern unterschiedlich zum Gaspreis bei.
Abbildung 5 Vergleich europäischer Gaspreise [6]
Verfügbarkeit
Energieträger Der weltweite Energiebedarf wird nach einer Prognose bis zum Jahr 2030 um etwa 55 % im Vergleich zum Jahr 2004 steigen [7]. Auf der anderen Seite ist die zeitliche Reichweite fossiler Brennstoffe begrenzt (Abbildung 6). Bis 2030 werden jedoch keine Engpässe erwartet, da technische Fortschritte dem Trend einer Verschlechterung der Lagerstättenbedingungen entgegenwirken [8, 9].
Das Überschreiten des Produktionsmaximums bei Öl und später bei Erdgas wird dennoch eine spürbare Lücke in der Weltenergieversorgung hinterlassen.
In dieser Phase wird der Einsparung von Energie eine herausragende Bedeu- tung zukommen [10].
Abbildung 6 Prognose der Verfügbarkeit von Energieträgern [10]
0 20 40 60 80 100
RO NL PL UK SK BE ES EE BG FR CZ LV PT IT DE HU FI BA SE Without taxes and levies taxes, levies and vat
€/ M Wh
Erneuerbare
Energie Durch den steigenden Anteil an erneuerbaren Energien (insbesondere Photo- voltaik und Windenergie) und die gleichzeitige Stilllegung von Grundlastkraft- werken kommt es aufgrund der Umsetzung der Energiewende in Deutschland zu einem immer größer werdenden Anteil an volatilen Stromquellen, die pha- senweise zu einer Unter- oder Überversorgung mit Strom führen [11, 12].
Abbildung 7 Volatilität der Stromversorgung [12]
Prognose
Strompreis Der industrielle Strompreis ist in Deutschland im Zuge der Liberalisierung des Strommarktes zwischen 1995 und 2000 zunächst gefallen, seither jedoch wieder angestiegen [13]. In den letzten Jahren ist an der Strombörse EEX aufgrund der seit Jahren niedrigen CO2-Zertifikatepreise und des verstärkten Ausbaus der Erneuerbaren Energien ein Sinken des Strompreises zu beobach- ten [14]. Aber nicht nur der Spotmarkt, auch die Preisentwicklung auf den Terminmärkten der EEX zeigt den Einfluss der weiter wachsenden Einspeisung von erneuerbarem Strom und führt für die nächsten Jahre zu deutlich fallenden Großhandelspreisen (Abbildung 8).
Abbildung 8 Preisentwicklung Terminmarkt EEX [14]
Dennoch werden von verschiedenen Instituten steigende Strompreise auch für die Industrie prognostiziert (Abbildung 9).
Abbildung 9 Prognose Strompreisentwicklung [15]
Prognose
Gaspreis Die inländischen Energiepreise werden insbesondere bei fossilen Energieträ- gern, wie Öl und Gas, durch die Weltmarktpreisentwicklung unmittelbar beein- flusst. Im Industriebereich sind die Preise für Erdgas beispielsweise zwischen 1995 und 2005 um 84 % gestiegen [13]. Die Preisrisiken bei Öl und Gas erhö- hen sich, da die Abhängigkeit der Versorgung von politisch instabilen Förder- und Transitregionen zunimmt. Insbesondere die aktuell politisch instabile Situa- tion in der Ukraine lässt hier weitere Risiken erwarten.
Wie in Abbildung 10 dargestellt ist auch für die nächsten Jahre mit einem weite- ren Anstieg der Verbraucherpreise zu rechnen. Die Steigerung wird hierbei maßgeblich durch die Entwicklungen am Beschaffungsmarkt sowie bei den Netzentgelten beeinflusst [16].
Abbildung 10 Prognose Gaspreisentwicklung [16]
0 10 20 30 40 50 60
2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022
Gaspreis / €/Mwh
Börsenpreis Grenzübergangspreis Verbraucherpreis Industrie
3.2 E ins atz von Wärmepumpen Nutzung von
Abwärme
Der hohe Energieverbrauch führt zu industrieller Abwärme, die zum großen Teil vollständig oder teilweise an die Umwelt abgegeben wird, obwohl ein großer Bedarf an Prozesswärme in Form von Warm- oder Heißwasser, Dampf oder warmer Luft besteht. Eine mögliche Lösung dieses Problems könnte der Ein- satz von Wärmepumpen sein, bei dem die Energie der Abwärme auf ein höhe- res Temperaturniveau gebracht wird, um somit die Energie der Abwärme wie- der als Prozesswärme einzusetzen.
Derzeitiger Ein- satz
Auch wenn Wärmepumpen längst bekannt sind, werden sie nur selten im in- dustriellen Umfeld eingesetzt. Aufgrund der hohen Stromkosten und des un- günstigen Preisverhältnisses zwischen Strom und Brennstoffen können indust- rielle Wärmepumpen häufig nicht wirtschaftlich betrieben werden. Darüber hinaus gibt es nur wenige Studien über einen wirtschaftlichen Einsatz von Wärmepumpen in unterschiedlichen Industrieanlagen.
Prozess- integration
Die Anschaffung einer Wärmepumpe ist allerdings oft noch nicht genug. Ab- wärme und benötigte Prozesswärme muss auch in geeigneter Weise in Verbin- dung gebracht werden. Die Prozesswärme, die durch eine Wärmepumpe gene- riert werden kann, muss auch ein Temperaturniveau aufweisen, das für den Prozess geeignet ist. Derzeitig verfügbare Wärmepumpen sind noch nicht in der Lage, höhere Temperaturen als 100°C zu generieren, die allerdings in ver- schiedenen Industriebranchen benötigt werden (z.B. Dampf in der Papierindust- rie, in der chemischen Industrie oder in Brauereien). Verfügbare Wärmepumpen weisen eine maximale Ausgangstemperatur von 80°C bis 90°C auf.
Papierindustrie Durch die Verwendung von höheren Temperaturen bei der Stoffauflösung könnten grundsätzlich die Viskosität des eingesetzten Wassers verringert und dadurch der Auflöseprozess verbessert bzw. beschleunigt werden. Durch die Entwicklung neuer Wärmepumpen und geeigneter Wärmeintegrationskonzep- ten könnte ein größerer Teil der bei der Papiererzeugung anfallenden Abwärme für die Stoffauflösung bei höheren Temperaturen genutzt werden.
Biogasanlagen Die Erzeugung von elektrischer Energie in Biogasanlagen ist umstritten, weil die Stromgestehungskosten im Vergleich zu anderen regenerativen Energiequellen (z. B. Wind) höher liegen, die Abwärmenutzung des BHKWs in den meisten Fällen sehr ineffizient ist und der Anbau von Mais und anderen landwirtschaftli- chen Biomassen für die Energieproduktion ernährungspolitisch als fragwürdig betrachtet wird. Auf der anderen Seite ist Biomethan klimaneutral und kann im Erdgasnetz in großen Mengen zwischengespeichert und bedarfsweise in effi- zienten Gaskraftwerken verstromt werden.
Es müssen also Anstrengungen unternommen werden, durch eine Wärmeopti- mierung (z.B. Wärmepumpen) von Biogasanlagen und durch eine Nutzung von Reststoffen Akzeptanz und Wirtschaftlichkeit von Biogasanlagen zu verbessern.
3.3 S tand der Technik
Einleitung Gemäß einer Deutschen Studie, die 2008 von IER abgeschlossen wurde, könnten theoretisch jährlich 390 PJ Energie aus industrieller Abwärme wieder
Verfügbare Wärmepumpen
Bis heute ist es nicht möglich, Abwärme mit den verfügbaren Wärmepumpen auf eine ausreichende Ausgangtemperatur zu bringen, um damit die Energie in der Abwärme in industriellen Prozessen nutzen zu können.
Aktuelle Entwicklungen
Obwohl Wärmepumpen mit einer Ausgangstemperatur >90°C noch nicht ver- fügbar sind, werden seit 1980 in diesem Gebiet Forschungsarbeiten in der Literatur beschrieben. Dazu gibt es Tests in Japan mit Ausgangstemperaturen von 120°C – 200°C. Thermea kündigt eine Wärmepumpe an, die unter Ver- wendung von superkritischem CO2 als Arbeitsmedium 130°C erreichen soll.
Hybrid Energy (Norwegen) entwickelt einen “Hybrid-Absorption-Compressor”, bei dem ein Ammonium-Wasser-Gemisch als Arbeitsmittel verwendet wird.
Eine Ausgangs-Temperatur von 95°C – 100°C wird angestrebt.
Wärme- Integration
Wärme-Integration ist ein kosteneffektives Verfahren, um den spezifischen Energie-Bedarf von industriellen Prozessen zu reduzieren und die Produktivität zu erhöhen. Im Falle der Papierindustrie sind Wärmerückgewinnungssysteme weit verbreitet, um die Energieausbeute zu verbessern. Trotzdem geht noch viel Abwärme über die Abluft und das Abwasser verloren (siehe auch Abbildung 11 und Abbildung 12).
Abbildung 11 Energieströme in der Papierindustrie
Abbildung 12 Energieströme eines konventionellen Blockheizkraftwerks
Waste water 300 kWh/t Radiation & convection
1.100 kWh/t
Exhaust air 1.400 kWh/t
Steam 1.800 kWh/t Electricity 1.000 kWh/t
Typical values
Waste water 300 kWh/t Radiation & convection
1.100 kWh/t
Exhaust air 1.400 kWh/t
Steam 1.800 kWh/t Electricity 1.000 kWh/t
Typical values
Fermenter Schlamm / 40 °C
~ 12 % / 146 kW Wärmeverluste
~ 6 % / 70 kWBHKW
elektr. Energie
~ 40,5 % / 500 kW
Nahwärme Wasser / 88 °C
~ 32 % / 390 kW Biogas
Brennstoff- leistung
100 % 1220 kW
Notkühler Luft
~ 9 % / 110 kW
Papierindustrie Bei der Papiererzeugung wird eine Faserstoffsuspension mit ca. 1 % Stoffdichte durch eine Head-Box gepumpt und auf einem Sieb bei einer Temperatur von 50°C zu einer kontinuierlichen Papierbahn entwässert. Die Papierbahn wird anschließend in einer Pressenpartie und in einer Trockenpartie mit heißen Zylindern (ca. 100 – 120°C) entwässert und getrocknet.
Die Papiererzeugung bei hohen Temperaturen hat klare Vorteile und kann zu einer verbesserten Energiewirtschaftlichkeit führen. Höhere Temperaturen verbessern die Viskosität und die Oberflächenspannung des Wassers, so dass das Altpapier besser aufgelöst und eine Entwässerung in der Sieb- und Pres- senpartie erhöht werden kann.
Nutzung der Wärmeenergie in Biogasanlagen
Gemäß der Umfrage der Fachagentur für Nachwachsende Rohstoffe (FNR) wurden 2012 bei der Stromerzeugung aus Biogas ca. 20 TWh an nutzbarer Wärmeenergie erzeugt. Wie aus der Grafik (Abbildung 13) zu ersehen ist, werden jedoch nur etwas mehr als die Hälfte der anfallenden Wärmeenergie auch genutzt. Etwa 4 TWh werden für die Beheizung/Warmwasserversorgung von ca. 8.000 anlagennahen Gebäuden verwendet, was einen Verbrauch von ca. 40.000 Liter Heizöl/Jahr je Biogasanlage entspricht. Auch diese Nutzung kann als nicht besonders effizient betrachtet werden.
Gemäß Umfragen bei Biogasanlagenbetreibern wird für das Beheizen der Biogasfermenter zwischen 10 – 25 % der Abwärme des BHKW benötigt. Somit besteht noch ein erhebliches Optimierungspotential zur Senkung des Eigen- energiebedarfs von Biogasanlagen.
Abbildung 13 Verteilung der genutzten Abwärme von Blockheizkraftwer- ken (BHKWs) auf Biogasanlagen
3.4 Fors chungs bedarf
Wärmepumpen Aufgrund der Ausgangssituation und des Stands der Technik besteht deshalb der Bedarf, eine Hochtemperaturwärmepumpe zu entwickeln, die auch Aus- gangstemperaturen von mehr als 100°C ermöglicht.
Papierindustrie Um diese Wärmepumpe effektiv in unterschiedlichen Industriebranchen einset- zen zu können, sind einerseits die entsprechenden Prozesse anzupassen und andererseits Konzepte zur Integration zu entwickeln.
Für die Papierindustrie sind dazu Untersuchungen notwendig, wie höhere Temperaturen die Stoffauflösung verbessern können. Insbesondere die dazu notwendigen Rahmenbedingungen, wie z.B. Stoffdichte, geeigneter Tempera- turbereich und geeignete Altpapiersorten sind zu ermitteln.
Bioraffinerie Während der letzten Jahre hat das PFI eine Aufschlusstechnologie (Thermo- Druck-Hydrolyse – TDH) für die Nutzung von lignocellulosehaltiger Biomasse (Stroh, landwirtschaftliche Reststoffe, etc.) entwickelt. Die Biomasse kann somit als Substrat für die Fermentation zu industriellen Rohstoffen genutzt werden.
Die Reststoffe dieses Prozesses können in einer Biogasanlage verwertet wer- den. Da nicht genügend Prozesswärme auf hohem Temperaturniveau für den hydrothermalen Aufschluss und die Aufkonzentrierung des fermentierbaren Hydrolysates zur Verfügung steht, ist die Nutzung von Lignocellulose im Ge- samt-Materialinput beschränkt. Die benötigte Wärme für den Aufschluss und die Verdampfung sollte mittels Hoch-Temperatur-Wärmepumpe vom Kühlwasser des BHKWs geschöpft werden. Die Hoch-Temperatur-Wärmepumpe könnte das fehlende Element für eine energieautarke Nutzung von Lignocellulose für Fermentationsprozesse sein.
4 Fors chungs ziel
Ziel Das Ziel des Gesamtprojektes war es deshalb, einen wirtschaftlichen Einsatz von Wärmepumpen in der Industrie aufzuzeigen. Dazu wurden Prozessanaly- sen sowie Untersuchungen zu industriellen Anwendungen von Wärmepumpen und zur Papiererzeugung bei hohen Prozesstemperaturen durchgeführt. Dar- über hinaus wurde eine Hochtemperatur-Wärmepumpe für den industriellen Einsatz entwickelt, um aus Abwärme Prozesswärme zu gewinnen.
5 Material und Methoden 5.1 Prozes s analys en 5.1.1 Vorgehen
Vorgehen Ziel der Vor-Ort-Untersuchungen ist es die in den untersuchten Werken vor- handenen Wärmequellen und –senken zu identifizieren und damit den Ist- Zustand hinsichtlich Wärmebedarf und Wärmeintegration zu analysieren und zu bewerten. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde eine standardisierte Methode in den untersuchten Werken angewendet. Das Vorgehen ist in nach- folgendem Ablaufplan schematisch dargestellt.
Abbildung 14 Ablaufplan Prozessanalyse Vorbereitung der
Prozessanalyse Vor Durchführung der Prozessanalysen wurde ein Fragebogen erstellt und an die zu untersuchenden Werke versendet. Darin wurden die in den Werken verfügbaren und für die Bearbeitung notwendigen Informationen (Fließbilder, Produktionsdaten, Energiebedarf …) zu Produktion, Energieerzeugung und Energienutzung abgefragt.
Die dadurch erfassten Daten wurden ausgewertet und die Vor-Ort-Analyse vorbereitet. Hierzu wurde ein Zeitplan erstellt und mit den Werken abgestimmt, die notwendigen Messungen vorbereitet und notwendige Besprechungen mit den Verantwortlichen vor Ort arrangiert.
In einem vorbereitenden Gespräch werden die vorbereiteten Unterlagen mit den Verantwortlichen der Papierfabrik diskutiert und auf Vollständigkeit überprüft.
Ferner werden grundlegende Betriebsabläufe erfragt.
Auswertung der zur Verfügung gestellten Daten
Vor-Ort-Analyse
(Vor-Ort-Messungen, Erfassung von Produktions- und Prozessdaten, Diskussion der Betriebsweisen mit den Verantwortlichen vor Ort …)
Datenauswertung
(Bewertung des Ist-Zustands, Identifikation von Potenzialen zur Wärmeintegration)
Simulationsrechnungen
(zur Bewertung von Maßnahmen zur Wärmeintegration)
Task 3.1
Versand Fragebogen an untersuchtes Werk
(zur Erfassung von Daten und Informationen zu Produktion und Energiebedarf)
Vorbereitung der Vor-Ort-Analyse (Zeitplan, notwendige Messungen …)
Task 3.2
Task 3.3
Task 3.4
Prozessanalyse Die Prozessanalysen wurden in Papierfabriken sowie zur Unterstützung der belgischen Projektpartner einer Brauerei durchgeführt. In den Prozessanalysen, die in untersuchten Werken durchgeführt wurden, wurden systematisch die notwendigen Daten zum Thema Wärmebedarf und Wärmeintegration aufge- nommen. Hierzu wurden verfügbare Daten aus dem Prozessleitsystem erfasst, soweit notwendig eigene Messungen durchgeführt (Volumenströme, Tempera- turen, relative Feuchte) und die Betriebsabläufe mit den Verantwortlichen vor Ort diskutiert.
Schwerpunkte der Untersuchungen waren Energiebedarf, Wärmequellen- und Wärmesenken in folgenden Bereichen:
• Hallen- und Haubenbelüftung
• Dampf- und Kondensatsystem
• Vakuumsystem
• Drucklufterzeugung
• Energieerzeugung
• Wasserkreislauf Bewertung des
Ist-Zustands (Task 3.3)
Die erfassten Daten wurden ausgewertet und der Ist-Zustand hinsichtlich Wär- meintegration bewertet. Weiterhin wurden Ansatzpunkte zur direkten Wärmein- tegration diskutiert und bewertet sowie mögliche Einsatzstellen für Wärmepum- pen mit den Projektpartnern diskutiert.
Simulations- rechnungen (Task 3.4)
Zur Bewertung des Einflusses auf den Energiebedarf der betrachteten Wär- meintegrationsmaßnahmen in den Wasserkreislauf wurden im Rahmen des Projektes statische Simulationsrechnungen durchgeführt.
5.1.2 Messverfahren
Messverfahren Zur Ermittlung des Wärmebedarfs und der verfügbaren Wärmequellen wurden im Luftsystem und im Wasserkreislauf Messungen durchgeführt. Dazu wurden folgende Messverfahren eingesetzt.
Parameter Messverfahren
Volumenstrom Wasser Ultraschall-Laufzeitverfahren (Ultraflux) Volumenstrom Luft Flügelradsonden, Staurohr (Testo) Temperatur Wasser Testo Temperaturlogger
Temperatur & relative Feuchte Luft Testo Hochtemperaturfeuchtefühler
5.1.3 Pinch-Analyse
Pinch-Analyse Ein wesentlicher Anteil des Energiebedarfs wird in der Papierindustrie für das Aufheizen von Prozessströmen verwendet. Auf der anderen Seite verlassen eine Vielzahl von Abwärmeströmen über die Abluft bzw. das Abwasser die Papierfabrik. Durch Integration von Abwärmeströmen und Wärmerückgewin- nung kann der Energiebedarf einer Anlage reduziert werden.
Ein geeignetes Hilfsmittel für eine systematische Lösung von Wärmeintegrati- onsproblemen ist die Pinch-Analyse. Sie gehört heute zu den wichtigsten Werk- zeugen der Prozessintegration in allen Bereichen der verfahrenstechnischen Industrie. Eine Reihe von Veröffentlichungen zeigen die Möglichkeiten, die die Pinch-Technologie für die Papierindustrie bietet [siehe z.
B. 17, 18, 19, 20, 21, 22].
Das grundlegende Ziel der Pinch-Analyse ist es, den Wärmebedarf eines Pro- zesses durch nutzbare Abwärme möglichst gut zu bedienen. Die Eignung der einzelnen Abwärmeströme ist dabei bedingt durch die jeweilige Temperatur.
Mit einer Pinch-Analyse können somit Ansatzpunkte für eine Optimierung des Wärmehaushalts von Papierfabriken identifiziert werden. Die Theorie der Pinch- Analyse geht jedoch davon aus, dass alle heißen und kalten Ströme miteinan- der kombiniert werden können. Dies ist jedoch technologisch und wirtschaftlich nicht immer sinnvoll. Somit lässt sich dieses Potenzial in der Regel nicht voll ausschöpfen.
Composite
Curves Ein wesentlicher Schritt bei der Pinch-Analyse ist die Erstellung von Composite Curves im Temperatur-Enthalpie-Diagramm. Diese stellen Summenkurven der kalten und warmen Ströme dar. Der Überlappungsbereich der Composite Curves entspricht der maximalen Wärmemenge, die bei optimaler Auslegung wieder gewonnen werden kann. Die darunter bzw. darüber liegenden Bereiche zeigen den unter optimalen Bedingungen minimal erforderlichen Heizmittel- und Kühlmittelbedarf.
Abbildung 15 Composite Curves [23]
Pinch-Punkt Der Pinch-Punkt ist der Punkt an dem sich die beiden Composite Curves im Diagramm am nächsten kommen. Dort liegt die kleinste mögliche Temperatur- differenz ∆Tmin der Wärmetauscher vor, die technisch sinnvoll ist.
Am Pinch-Punkt wird das System in zwei Bereiche geteilt. Oberhalb des Pinch- Punktes existiert ein Wärmedefizit und somit liegen Wärmesenken vor. Unter- halb liegt ein Wärmeüberschuss vor und die betroffenen Teilströme bilden somit Wärmequellen.
Minimale Temperatur- differenz
Die minimal zulässige Temperaturdifferenz ∆Tmin zwischen kalten und warmen Strömen bestimmt das für die Wärmeübertragung maßgebliche Temperaturgefälle. Bei der Festle- gung von ∆Tmin muss ein Opti- mum zwischen den notwendigen Investitionskosten und einer Redu- zierung der Energiekosten gefun- den werden. Je größer ∆Tmin desto weniger Wärmeübertra- gungsfläche wird benötigt.
Dadurch sinken der apparative Aufwand und damit auch die Investitionskosten. Auf der ande- ren Seite kann weniger Abwärme zurück gewonnen werden, wodurch sich ein höherer Energie- bedarf ergibt.
Abbildung 16 Kostenminimum für die minimal zulässige Temperaturdifferenz ∆Tmin [20]
Pinch-Regeln Folgende Regeln sollten aus thermodynamischer Sicht beachtet werden:
• Kein Wärmeaustausch über den Pinch-Punkt hinweg
• Keine externe Wärmeabfuhr (Kühlung) oberhalb des Pinch-Punktes
• Keine externe Wärmezufuhr (Heizung) unterhalb des Pinch-Punktes Bzgl. des Einsatzes von Wärmepumpen gilt damit, dass diese insbesondere für den Wärmetransfer über den Pinch-Punkt eingesetzt werden sollten.
5.1.4 Prozesssimulation Prozess-
simulation Simulationsrechnungen werden eingesetzt, um die Auswirkungen von Wär- meintegrationsmaßnahmen hinsichtlich Temperaturführung und Wärmehaus- halt zu quantifizieren. Für die Simulationen wurde das Programm IDEAS der Firma Andritz Automation verwendet. IDEAS ist eine papierspezifische Weiter- entwicklung des objektorientierten Simulationsprogramms Extend. Weitere Informationen zu den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von IDEAS können der Homepage von Andritz Automation entnommen werden [24].
Minimum admissible temperature difference ∆Tmin
Costs
Investment costs Energy costs Total costs
Modellaufbau Für die betrachteten Papierfabriken wurde ein statisches Simulationsmodell aufgebaut. Die Modelle bilden den gesamten Wasserkreislauf bis einschließlich Pressenpartie bzw. Ablauf in den Vorfluter ab. Der Bereich Trockenpartie bis Poperoller sowie Abluftströme werden als separate Quellen und Senken be- rücksichtigt. Abgebildet wurde der stationäre Betriebszustand bei stabiler Pro- duktion.
Die Struktur eines Simulationsmodells wird durch das Zusammenfügen von funktionalen Objekten aus verschiedenen Bibliotheken erstellt. Rechnerisches Grundprinzip jedes Elements ist die Massen- und Energiebilanz.
Die Modelle wurden mit den aufgenommenen Daten (Frischwassermenge, Produktionsmenge, Wärmeeinträge, Frischwassertemperatur, …) parametriert und auf den Ist-Zustand während der Vor-Ort-Untersuchung hinsichtlich der Temperatur kalibriert.
Loop-Ansatz Jedes Modell wurde dazu in Bilanzelemente unterteilt, die die Loops (Teilkreis- läufe) der Stoffaufbereitungen und die Papiermaschinen repräsentieren. Es sind somit keine einzelnen Apparate abgebildet.
PTS Mass Balance Block
Der PTS Mass Balance Block stellt ein an der PTS entwickeltes Objekt für die statische Massenbilanzierung dar. Gleichzeitig führt der Block eine Energiebi- lanz durch, d.h. dass Temperaturen der Stoffströme mit berücksichtigt werden.
PTS Mass Balance Blöcke bilden im Simulationsmodell die Loops der unter- suchten Anlagen ab.
5.2 S toffaufbereitung bei höheren Temperaturen
Einleitung Das Ziel der praktischen Untersuchung in einem weiteren Arbeitspaket waren Untersuchungen zur Stoffaufbereitung bei höheren Temperaturen. Dabei sollte insbesondere ermittelt werden, inwiefern bestimmte Parameter den Auflösevor- gang und die Eigenschaften des Endproduktes beeinflussen, um aus diesen Erkenntnissen Optimierungsmöglichkeiten für die Suspendierung in der Praxis abzuleiten, beispielsweise um die Zerfaserung zu beschleunigen, Energie einzusparen oder den Faserstoff zu schonen.
Altpapier Für die Untersuchungen wurden folgende möglichst repräsentative Altpapier- sorten gewählt.
Versuchs-
einstellungen Da die Zerfaserung von Faserstoffen von einer Vielzahl von Parametern ab- hängt, wurden bei den Versuchen folgende Einstellungen gewählt.
Abbildung 18 Versuchseinstellungen
Desintegrieren Zum Auflösen des Altpapiers standen zwei Laborgeräte zur Verfügung. Der Standard-Desintegrator diente zur Nachstellung der Auflösung in einem LC- Pulper und ein Knetrührer sollte die Auflösung in einem MC-Pulper simulieren.
Der Standard-Desintegrator diente zur Zerfaserung bei niedriger Stoffdichte von 4 %. Die Zerfaserung erfolgt dabei durch einen Rotor und ist vergleichbar mit der Auflösung in einem LC-Pulper. Die Prozesstemperatur konnte mittels eines speziellen, beheizbaren Behälters konstant gehalten werden.
Die Zerfaserung im MC-Bereich wurde mit einem Knetrührer „Kenwood - Coo- king Chef KM 070“ nachgestellt. Die Stoffdichte betrug 10 bzw. 15 %. Der Energieeintrag erfolgt dabei durch ein knetendes Rührelement, das durch ein Planetengetriebe angetrieben wird. Die Geschwindigkeit des Rührelementes und somit der Energieeintrag konnte variiert werden. Die Antriebsleistung des Gerätes betrug 1.500 Watt, wovon bei der Zerfaserung von Krafttragekarton 50 % und bei der Zerfaserung des nassfesten Papieres 85 bzw. 100 % genutzt wurden. Durch eine Induktionskochplatte am Boden der Rührschüssel konnte die Temperatur eingestellt werden.
Bestimmung des
Stippengehalts Für die durchgeführten Untersuchungen wurde die Stippenbestimmung mit dem Verfahren nach Brecht-Holl angewandt. Als Trennelement kam eine Lochplatte mit einem Durchmesser der Bohrungen von 0,7 mm zum Einsatz.
Laborblatt-
bildung Die Bestimmung von Dicke und Festigkeiten erfolgte an Prüfblättern, die im Labormaßstab nach dem Rapid-Köthen-Verfahren unter definierten Bedingun- gen (DIN EN ISO 5269-2) gebildet wurden.
Bestimmungen
an Prüfblättern Neben dem Stippengehalt wurden folgende Parameter an den Prüfblättern bei Normklimabedingen (23°C ± 1°C, 50% ± 2% relative Feuchte) ermittelt, um die Auswirkungen einer Zerfaserung bei höheren Temperaturen bewerten zu kön- nen: Dicke, Grammatur, Biegesteifigkeit, Bruchkraft, Bruchdehnung, Reißlänge, Arbeitsaufnahme, Elastizitätsmodul.
6 Prozes s analys en 6.1 Unters uchte Werke
Papierfabriken Papierfabrik A produziert auf 2 Papiermaschinen Spezialpapiere. Als Rohstoff wird 100 % Zellstoff eingesetzt. Papierfabrik B produziert auf einer Papierma- schine Wellpappenrohpapiere auf Basis von 100 % Altpapier. Papierfabrik C produziert auf einer Papiermaschine graphische Papiere auf Basis von 100 % Altpapier mit integrierter Deinkinganlage.
Brauerei Die untersuchte Brauerei ist eine kleine mittelständische Brauerei in Belgien, die etwa 100.000 hl Bier pro Jahr produziert.
BHKW-Anlagen Zur weiteren Untersuchung der Prozesse wurden drei landwirtschaftliche Bio- gasanlagen und eine Kläranlage herangezogen. Folgende Tabelle zeigt die untersuchten BHKWs.
Tabelle 1: Übersicht der Untersuchten BHKW-Anlagen
Nr. Name/Standort Anlage Elektrische Leis- tung BHKW [kWel] 1 Bischheim Biogas (landwirt-
schaftlich) 230 + 350
2 Heilbachhof Biogas (landwirt-
schaftlich) 500
3 Würschhauserhof Biogas (landwirt-
schaftlich) 400
4 Blümeltal Kläranlage 2 x 80
BGA Bischheim Die Anlage Bischheim ist seit 2006 in Betrieb und gehört zur Firma JUWI GmbH. Die Anlage wird mit Substraten von drei Landwirten beliefert. Ein be- sonderes Merkmal ist der Verzicht auf Gülle als flüssiges Substrat. Zum Anmai- schen der festen Substrate wird die Flüssigphase des Gärrests nach Separation des Feststoffes mit einer Pressschnecke verwendet.
Dadurch müssen die Fermenter zwischen Mai und September nicht beheizt werden. Im Sommer kann die Temperatur im Fermenter bis zu 49°C ansteigen.
Hier wird eine Kühlung der Fermenter empfohlen.
Die beiden BHKWs sind fehleranfällig, was die jährliche Betriebszeit verringert.
Aufgrund dieses Umstandes können 15% der jährlichen Betriebszeit nicht zum Heizen für die in der Nähe liegende Mälzerei verwendet werden.
Als Substrat wurde im Untersuchungszeitraum Mais- und Hirsesilage verwen- det. Die Anlagenkonfiguration besteht aus 2 x 1.000 m3 Fermentern, 1 x 1.300 m3 Nachgärer, und 2 x 1.800 m3 Gärrestlager.
Wärmenutzung: Heizung für ein Mälzerei und zwei Wohnhäuser
BGA Heilbachhof Die Anlage Heilbachhof ist seit 2008 in Betrieb. Die Anlage wird mit Schweine- gülle und nachwachsenden Rohstoffen betrieben. Um den Güllebonus des EEG voll auszunutzen zu können, ist die Aufnahme von Gülle aus benachbarten Höfen erforderlich. Dafür ist es notwendig, die externe Gülle zu hygienisieren.
Als Substrat wird Maissilage, Ganzpflanzensilage (GPS) und Schweinegülle genutzt. Die Anlagenkonfiguration besteht aus 2 x 1.300 m3 Fermenter und 1 x 1.500 m3 Nachgärer mit 2 x 2.300 m3 Gärrestlager. Die Überschusswärme wird zum Heizen des Nachgärers (T = 53 °C) verwendet.
BGA Würsch-
hauserhof Die Anlage Würschhauserhof am Ortsrand von Wallhalben nutzt Rindergülle zum Anmaischen der Substrate. Besonderes Merkmal der Anlage ist eine Vorhydrolyse, die im PFI entwickelt wurde. Die Vorhydrolyse verbessert die Desintegration der festen Bestandteile im Substrat und verkürzt somit die Ver- weilzeit. In 2012 wurde die Anlagenleistung von 190 kWel auf 400 kWel erhöht.
Infolgedessen werden seit April 2012 die öffentlichen Gebäude in Wallhalben über ein Nahwärmenetz mit Wärme versorgt.
Als Substrat wird Maissilage, Ganzpflanzensilage (GPS) und Rindergülle ge- nutzt. Die Anlagenkonfiguration besteht aus 1 x 1.000 m3 Fermenter mit einer 500 m3 Vorhydrolyse, sowie 1 x 2.300 m3 Gärrestlager.
Die Wärme des BHKW wird für das Wohngebäude, die Brennerei, Holztrock- nung und öffentliche Gebäude in Wallhalben genutzt.
Kläranlage Blü-
meltal Die Kläranlage Blümeltal ist die größere von zwei Kläranlagen in Pirmasens.
Der Abwasservolumenstrom schwankt abhängig vom Wetter zwischen 8.000 und 35.000 m3/d. Die Kläranlage produziert jährlich zwischen 11.000 m3 (500 t) und 7.000 m3 (400 t) Überschuss- bzw. Primärschlamm. Die Kläranlage besitzt einen Faulturm mit einem Volumen von 3.600 m3, der jährlich ca. 400.000 m3 Biogas aus dem Klärschlamm produziert. Das Biogas wird in einem BHKW zur Bereitstellung von elektrischer Energie und Wärme verwendet.
Im Zuge eines Projektes, in Kooperation mit PFI und der Stadt Pirmasens, wurde eine Thermodruckhydrolyse (TDH) zur Schlammbehandlung entwickelt und installiert. Die TDH kann in zwei Konfigurationen verwendet werden. In Konfiguration 1 wird sie vor den Faulturm geschaltet und behandelt den Schlamm bei 130°C – 160°C. Dadurch wird die Zellbiomasse aus dem Be- lebtschlamm vollständig desintegriert, und der Biogasertrag im Faulturm ver- bessert. In Konfiguration 2 kann die TDH den Faulschlamm aus dem Faulturm bei bis zu 140°C erhitzen, um in einem folgenden Prozess die Rückgewinnung von Phosphor zu ermöglichen.
Die TDH ist als Rohreaktor konzipiert, in dem der Schlamm nach dem Faulturm sukzessiv von 35°C auf 140°C über Wärmetauscher (HE1) und Thermalöl (HE2) erwärmt wird (siehe auch folgende Abbildung). Danach wird der
Schlamm über Wärmetauscher (HE3 und HE4) auf 60°C abgekühlt. HE1, HE3 und HE4 sind über ein Kreislaufsystem verbunden. HE3 und HE4 entnehmen dem Schlamm Wärme und geben es in HE1 wieder an den frischen Schlamm ab. Das Thermalöl wird über die Abwärme vom BHKW geheizt.
Abbildung 19 Wärmetauscherkonfiguration der TDH an der Kläranlage Blümeltal
6.2 B ewertung des Is t-Zus tands der unters uchten Papierfabriken Wärmebedarf in
der Papier- industrie
In der Papierindustrie wird Wärme in Form von Dampf, gasbeheizten Brennern oder elektrischen Heizun- gen/Strahlern eingesetzt. Während der Wärmeeinsatz zur Trocknung der Papierbahn allgegenwärtig ist, gibt es Wärmeverbraucher, die abhängig von der produzierten Sorte sowie den eingesetzten Rohstoffen sind. Der weitaus größte Wärmebedarf besteht bei der thermischen Trocknung der Papierbahn.
Abbildung 20 Beispielhafte Verteilung des Wärmebedarfs [25]
Wärmebedarf in den untersuchten Papierfabriken
Alle drei Werke setzten Wärme in der Produktion nur in Form von Dampf ein.
Der Wärmebedarf aller betrachteten Werke liegt im typischen Bereich des jeweiligen Sortenbereichs. Wie üblich besteht auch in den untersuchten Werken der größte Wärmebedarf bei der thermischen Trocknung der Papierbahn
Abbildung 21 Wärmebedarf der untersuchten Werke (links) bzw. typi- scher Wärmebedarf im jeweiligen Sortenbereich [26]
0 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000
Werk A Werk B Werk C
Wärmebedarf / kWh/t
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
Wood-free
speciality paper RCF without deinking (packaging
paper)
RCF with deinking (graphic) paper
Bereiche typischer Wärmebedarf / kWh/t
Trockenpartie Wassererwärmung Kalander Pressenpartie Luftsystem
Abwärmeströme in den unter- suchten Papier- fabriken
Nachfolgendes Sankey-Diagramm zeigt beispielhaft anhand eines der unter- suchten Werke die wesentlichen Energieströme im Werk.
Abbildung 22 Sankey-Diagramm Energieflüsse
Pinch-Analyse
Papierproduktion Mit einer Pinch-Analyse kön- nen Ansatzpunkte für eine Optimierung des Wärmehaus- halts von Papierfabriken identifiziert werden. Die Er- gebnisse zeigen, dass obwohl die Werke bereits mit einer Wärmerückgewinnung in der Abluft ausgerüstet sind, noch Potenziale für eine direkte Wärmerückgewinnung beste- hen.
Abbildung 23 Composite Curves Wärmequellen und -senken Papierpro- duktion des Werks C
Heat radiation
compressed air
Heat radiation PM6 leackage air
Kalander
Make-up water
Eco & Superheater Steam distribution
Exhaust air PM4
Fibre PM6 PM6 Stock preparation
Waste water PM6
Heat radiation Steam generation
Exhaust air power plant PM4 Drying
Exhaust air Post D.
inlet air hood PM4
Exhaust air Pred PM6 Paper PM6 condensate tank
combustion air
pulverised brown coal
electricity
Fibre PM4
PM4 Stock preparation
Inlet air hood PM6
Heat radiation PM4 Waste water PM4 Fresh water
Leackage air
PM6 Drying
Paper PM4
0 20 40 60 80 100 120
0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000
Temperature / °C
Enthalpie / kW
6.3 B ewertung des Is t-Zus tands in der B rauerei Wärmebedarf Die untersuchte
Brauerei ist hin- sichtlich Was- sernutzung als typisch zu betrach- ten. Der Wärmebe- darf liegt im oberen Bereich typischer Werte. Ein wesent- licher Grund hierfür dürfte die geringe Ausstoßmenge sowie die Diskonti- nuität des Prozes- ses sein.
Abbildung 24 Wasser- und Wärmebedarf im Vergleich zu typischen Werten [27]
Bewertung
Ist-Zustand Hinsichtlich Wär- meintegration zeigt die Brauerei noch Potenzial, obwohl bereits an einigen Stellen eine Wär- merückgewinnung (z. B. Würzeküh- lung) betrieben wird. Nachfolgende Abbildung gibt prozentual den Energiegehalt der verfügbaren Ab- wärmeströme an.
Abbildung 25 Abwärmeströme in der untersuchten Brauerei
0 14 28 42 56 70 84
0 2 4 6 8 10 12
Frischwasser Abwasser Wärmebedarf
Spezifischer Wärmebedarf / kWh / hl
Spezifischer Wasserbedarf / hl/hl
Abgas Kessel Abwasser Abluft Braukessel Kühlwasserkreislauf
6.4 Prozes s analys en in B HK W-Anlagen Ergebnisse der
Untersuchungen Von den betrachteten BHKWs wurden die einzelnen Daten wie Leistung und Temperaturniveaus aufgenommen. Tabelle 2 zeigt die Daten der BHKWs der jeweiligen Anlagen. Die Nummerierung korrespondiert mit Tabelle 1.
Tabelle 2: Übersicht der Datenerhebung der untersuchten BHKWs
BHKW Daten 1.1 1.2 2 3 4
Elektrische Leistung [kW] 230 350 500 400 125 Elektrische Effizienz [%] 34 35 40,5 42,5 36,3 Thermische Leistung [kW] 263 371 650 418 181 Gesamt Leistung [kW] 676 1.000 1.220 941 344
Abgastemperatur [°C] 180 120 180 180 150
Abgasvolumenstrom [m3/h] 897 1.392 --- --- --- Abgasstrom, feucht [Nm3/h] --- --- 1.926 1.470 692 Abgasmassenstrom, feucht [kg/h] --- --- 2.524 1.908 592 Abgasmassenstrom, trocken [kg/h] --- --- 2.350 1.760 599 Betriebsstunden [h/a] 7.441 7.843 8.400 8.690 8.690 Stromproduktion [MWh] 1.524 2.662 4.200 3.476 1.086
Behälterheizung [MWh] 434 788 1.230 469 207
BHKW Wärmeverlust [MWh] 1.362 2.188 1.362 725 725 Wärmenutzung [kW] 1.126 1.968 3.276 2.582 185 Aus den oben gewonnen Daten können die Energieflüsse der BHKWs aufge- schlüsselt werden. Aufgrund der elektrischen Effizienz von <50% wird mehr thermische Leistung generiert wie elektrische. Folgende Tabelle zeigt die ge- nutzten oder ungenutzten Wärmeenergieströme der Anlagen mit dem prozen- tualen Anteil.
Tabelle 3: Wärmeströme der untersuchten BHKWs
1 2 3 4
kW % kW % kW % kW % Gesamtleistung 1.676 100 1.220 100 941 100 344 100 Elektrische Leis-
tung 570 34 500 40,5 400 42 125 36
Fermenterheizung 67 4 146 12 54 6
Eigennutzung /
Nahwärme 436 26 390 32 346 37
Luftkühler 101 6 114 9 57 6
Wärmeverlust 502 30 70 6 84 17
Schlussfolgerun
gen Die BGA Bischheim hat hohe Wärmeverluste sowie eine unzureichende Effizi- enz bei der Stromproduktion. Daher sollten die bestehenden BHKWs durch leistungsfähigere ersetzt werden. Zudem könnte auch ein Pufferspeicher zur effektiveren Wärmenutzung in der Mälzerei eingesetzt werden. Eine Hochtem- peraturwärmepumpe könnte zum Kühlen des Fermenters im Sommer genutzt werden und zusätzliche Wärmeenergie für die Mälzerei zur Verfügung stellen.
Eine Evaluierung sollte durchgeführt werden, wenn die BHKWs ausgetauscht worden sind.
Bei der BGA Heilbachhof kann die lokale Überschusswärme zur Hygienisierung (70°C, 1 h) des Gärrestes verwendet werden. Dafür ist derzeit der Einsatz einer Hochtemperaturwärmepumpe nicht erforderlich.
Tischkühler in die Umgebungsluft abgeführt. Diese Wärme könnte sinnvoller für andere Zwecke, wie z.B. zum Trocknen von Gärrest, verwendet werden.
Bei der Kläranlage Blümeltal in Pirmasens kann die TDH-Anlage die Betriebs- temperatur nicht halten. Hier könnte eine Hochtemperaturwärmepumpe Abhilfe schaffen, indem sie die Wassertemperatur zwischen HE3 und HE1 auf 120°C anhebt und konstant hält. Das Kühlwasser des BHKWs mit einer Temperatur von 90°C könnte hier als Wärmequelle für die Hochtemperaturwärmepumpe genutzt werden.
6.5 K onzepte zur Wärmeintegration in der Papierindus trie
Vorgehen Vor dem Einsatz von Wärmepumpen sollte ein System hinsichtlich Wärmein- tegration optimiert sein. D.h. mögliche direkte Wärmetauschmaßnahmen sollten durchgeführt sein. Aus diesem Grund wurden für die untersuchten Werke Optionen zur Optimierung des Wärmehaushaltes durch Wärmeintegration untersucht. Grundsätzliches Ziel der Maßnahmen war die Reduzierung des Wärmebedarfs, sei es durch direkte Einsparungen von Dampf bzw. Gas oder durch indirekte Einsparungen durch eine Erhöhung der Prozesstemperatur.
Optionen zur Wärme- integration
Im Rahmen dieses Projektes wurden folgende Möglichkei- ten der Wärmerück- gewinnung zwischen den eingesetzten Prozessmedien berücksichtigt:
Wärmetausch Was- ser – Wasser, Wär- metausch Luft – Wasser und Wärme- tausch Luft - Luft.
Abbildung 26 Schematische Darstellung von Optionen zur Wärmein- tegration
Einsparungen Dabei werden sowohl direkte als auch indirekte Einsparungen berücksichtigt:
• Direkte Einsparungen ergeben sich durch den Ersatz von Frischdampf bzw.
gasbefeuerten Aggregaten durch eine Wärmerückgewinnung, in der Ab- wärme als Heizmedium genutzt wird.
• Indirekte Einsparungen ergeben sich wenn bei einer Wärmeintegrations- maßnahme die Prozesstemperatur steigt und damit eine Reduzierung des Dampfbedarfs z. B. in der Trockenpartie erreicht werden kann.
Stoff-
aufbereitung Papier maschine Frischwasser
ARA
Abluft
Abluft Vakuumsystem
Prozesswasser Zuluft
Wirtschaftliche
Bewertung Für die Abschätzung der Investitionskosten wurden folgende Punkte berück- sichtigt:
• Maschinentechnik (Wärmetauscher, Kühltürme, Pumpen, Behälter)
• Rohrleitungen und Armaturen (pauschal)
• EMSR-Technik (pauschal) Nicht kalkuliert wurden:
• Engineering- und Bauleistungen
• Erweiterungen von Schalträumen und Anschluss an Prozessleitsysteme Zur Bewertung der Amortisation wurde die Payback-Methode verwendet. Diese Amortisationsrechnung ist eine statische Methode der Investitionsrechnung und gibt die Wiedergewinnungszeit einer Investitionsausgabe (Payback-Dauer) im Vergleich zu den erzielbaren Einsparungen an.
Nachfolgend werden anhand von Beispielen aus den untersuchten Werken typische, wirtschaftlich darstellbare Optionen zur Wärmeintegration dargestellt und bewertet.
Wärmerück- gewinnung Abluft
Wärmerückgewinnung aus der Abluft ist heute Stand der Technik in der Papier- industrie. Von Seiten des Anlagenbaus werden bereits 3- bzw. 4-stufige Wär- merückgewinnungsanlagen angeboten [28]. Dennoch sind immer noch in zahlreichen, vor allem älteren Anlagen Papiermaschinen ohne Wärmerückge- winnung zu finden. Oft sind Papiermaschinen nur mit 1-stufigen Anlagen zur Vorwärmung der Zuluft ausgerüstet. Weitere Wärmerückgewinnungsmöglich- keiten bestehen durch: Erwärmung von Frischwasser, Erwärmung von Pro- zesswasser oder für die Hallenheizung (Abbildung 27). Für diese Anwen- dungsfälle wird häufig Frischdampf eingesetzt.
Abbildung 27 Potenziale durch Erweiterung der Wärmerückgewinnung [28]
Weitere Potenziale ergeben sich durch Nutzung von Brüden bzw. Kondensat zur Vorheizung der Zuluft.
Heizwasser 11550 kW (27 %) Prozesswasser 7820 kW (19 %) Siebwasser 1 4780 kW (11 %)
Frischluft 5280 kW (+28°C) Abluft
15530 kW (37 %) sonst. Verluste
800 kW
Dampf 37440 kW (+150°C), 50 t/h Kondensat
5130 kW (+90°C) Leckluft 1180 kW (+20°C) Papierbahn 3360 kW (+50°C) 44,5 % TG
9950 kW +95°C
Papierbahn 1650 kW (+90°C, 91 % TG) Zuluft 2580 kW (6 %)
2090 kW
35350 kW Trockenpartie
41,8 t H2O/h +82°C x = 160 g/kgTr. Luft 42260 kW (100%) 27080 kW
(64%) POTENTIAL
IST
Praxisbeispiel:
Optimierung Zulufterwärmung
In Papierfabrik A wird die Zuluft der Trockenpartie über eine Wärmerückgewin- nung auf 41°C vorgewärmt. Die Aufheizung bis zur Zieltemperatur von 94°C erfolgt mit Dampf. Das anfallende Kondensat wird mit 81°C ins Kraftwerk zu- rückgeführt.
Durch Nutzung der im Kondensat befindlichen Energie kann die Zulufttempera- tur auf 53°C angehoben werden und somit Frischdampf eingespart werden.
Weiterhin können aufgrund der niedrigeren Kondensattemperatur die Abgasver- luste am Kraftwerk gesenkt werden.
Die erzielbaren Einsparungen summieren sich auf 740 MWh/a bzw. etwa 25.000 € pro Jahr. Zur Umsetzung der Maßnahme werden ein Kondensatregis- ter sowie die notwendige Verrohrung benötigt. Es ergibt sich im vorliegenden Fall eine Paybackzeit von etwa einem Jahr.
Grafische
Darstellung Nachfolgende Abbildung zeigt schematisch, wie eine derartige Optimierung der Zulufterwärmung umgesetzt werden kann.
Abbildung 28 Optimierung Zulufterwärmung durch Nutzung von Kon- densat (links, nach [28]) und Darstellung des Wärmetau- schernetzwerks nach Optimierung (rechts)
Wärmeeintrag in das Prozess- wasser
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten Abwärme in den Wasserkreislauf zu integrieren. Neben den oben beschriebenen Ansatzpunkten zur Nutzung der Abwärme aus der Abluft besteht auch die Möglichkeit, Abwärme aus Wasser- strömen sinnvoll im Prozess zu nutzen [29].
So hat beispielweise der Wärmetausch Abwasser gegen Frischwasser neben der Erhöhung der Prozesswassertemperatur den weiteren Vorteil einer Sen- kung der Abwassertemperatur und somit der sicheren Einhaltung des Abwas- sertemperaturgrenzwertes, was für viele Werke ein Problem darstellt [30].
Eine Erhöhung der Prozesstemperatur ermöglicht indirekte Dampfeinsparun- gen. Als Faustformel gilt: Eine Temperaturerhöhung um 10 K ermöglicht eine Erhöhung des Trockengehaltes um etwa 1 % nach der Pressenpartie und damit einen um etwa 4 % reduzierten Energiebedarf in der Trockenpartie.
Auswirkungen auf Prozess
Die Auswirkungen von Wärmeintegrationsmaßnahmen hinsichtlich Temperatur- führung und Wärmehaushalt und Energiebedarf wurden mittels Simulations- rechnungen quantifiziert. Hierzu wurden für die untersuchten Papierfabriken
Kosa
Kondensat
Kosa
Dampf
T
Pinch temperature Global temperature difference used 67°C
5565 1 72 72
6618 67 2 81 81
7721 35
12 1221 57 4 66 66
13 1321 59
14 1418 51 12 81 81
15 1521 35
16 1621 36
22 2221 35
24 2421 48
26 2640 116 11 11610 1510 151 7 318 318
27 2721 40
32 3219 33
33 3318 33
34 3418 30
35 3518 36
36 3618 42
37 3718 19
38 3820 33
11 192 192
2248 80
33 111 111
4421 44 5133 87 87
8836 80
99 117 117
10 10 122 122
11 1121 2141 5313 95 95
21 2121 35
25 2521 318
28 2821 318
29 29 7070 140 140
30 3021 21 115 115
31 3121 210115 115
Praxisbeispiel:
Wärmetausch Abwasser - Frischwasser
Abbildung 29 Auswirkungen auf Temperatur und Dampfbedarf Durch Wärmetausch Abwasser gegen Frischwasser kann sowohl die Prozess- wassertemperatur gesteigert als auch die Abwassertempe- ratur gesenkt und somit der Einleite- grenzwert sicher
eingehalten werden. Nebeneffekt dieser Wärmeintegrationsmaßnahme ist eine Reduzierung des Energiebedarfs aufgrund der gestiegenen Prozesstemperatur.
Die erzielbaren Einsparungen belaufen sich auf ca. 60.000 €/a, so dass sich diese Maßnahme mit einer Payback-Dauer von weniger als 2 Jahren realisieren lässt.
Innovative Wär- metauschertech- nologie
Neben den in der Papierindustrie bereits erfolgreich eingesetzten Freistrom- oder Spiralwärmetauschern, die aufgrund ihrer Bauweise einen stabilen Betrieb auch bei faser- und feststoffhaltigen Medien ermöglichen [31, 32, 33], gibt es seit kurzem eine neue Technologie, die es ermöglicht, Abwasser im freien Gefälle abzuleiten und durch ein einfaches Reinigungssystem ständig sauber zu halten [34]. Diese Entwicklungen helfen, Potenziale wie oben beschrieben, in Zukunft verstärkt nutzen zu können.
Abbildung 30 Neue Wärmeüberträger für verschmutztes Wasser [34]
Optimierungs- ansätze Energie- erzeugung
In kleineren und mittelständischen Papierfabriken erfolgt die Dampferzeugung häufig in einfachen Dampfkesseln, während der Strom komplett vom Netz bezogen wird. Bei einer Optimierung des Wärmebedarfs sollte deshalb auch das Kesselhaus berücksichtigt werden. Insbesondere eine Reduzierung der Abgasverluste kann die Energieeffizienz erhöhen. Ansatzpunkte sind zum Beispiel:
• Einsatz einer O2/CO Regelung
• Abgaswärmerückgewinnungssysteme (Economizer)
• Luftvorwärmung
Die jeweiligen Einsparpotenziale sind anlagenabhängig, häufig aber mit relativ kurzen Amortisationszeiten umsetzbar.
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Ist-Zustand WT FW-ABW
Dampfeinsparungen / kW
Temperatur / °C
Prozesstemperatur Dampfeinsparungen
