Schlussbericht
(Deutsch)
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Mehr als die Hälfte des Endenergieverbrauchs in der Schweizer Industrie entfällt auf Prozesswärme. Dies entspricht etwa 11 % des gesamten Endenergieverbrauchs in der Schweiz. Um das Ziel des Bundes von Netto-Null Treibhausgasemissionen bis zum Jahr 2050 zu erreichen, ist es von entscheidender Bedeutung, die Energieeffizienz in der Industrie zu verbessern und auf erneuerbare Energiequellen umzustellen. Die Industrie ist aufgrund der hohen Komplexität, Heterogenität und Temperaturniveaus der Heiz- und Kühlanforderungen der anspruchsvollste Sektor für die Dekarbonisierung. Die Anforderungen an die Prozesswärme und -kälte sind in der Industrie sehr fallspezifisch. Wärmepumpen (WP) können diese Anforderungen oft erfüllen. Sie stellen eine umweltfreundliche und wirtschaftlich attraktive Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen mit fossilen Brennstoffen dar. Die Elektrifizierung der Wärmeversorgung mittels Wärmepumpen ist ein energetisch überzeugendes Konzept zur Dekarbonisierung industrieller Prozesse, da dies die Integration erneuerbarer Energiequellen erleichtert. WP sind also eine der Schlüsseltechnologien für die Elektrifizierung von Industrieprozessen. Aufgrund des nicht kontinuierlichen Charakters vieler industrieller Prozesse in der Schweiz ist jedoch die Integration von WP zusammen mit thermischen Energiespeichern (TES) erforderlich, um das Potenzial der Wärmerückgewinnung (WRG) auszuschöpfen. Bestehende Methoden der Pinch-Analyse ermöglichen entweder die Integration von WP in kontinuierliche Prozesse oder von TES in nichtkontinuierliche Prozesse, deren Kombination ist jedoch bisher nicht untersucht worden. In diesem vom Bundesamt für Energie (BFE) mitfinanzierten Forschungsprojekt wird eine neue praktische Methodik für die kostenoptimale Integration von Wärmepumpen und thermischen Energiespeichern in nichtkontinuierliche Prozesse entwickelt. Das Ziel der Methodik ist, Ingenieurinnen und Ingenieure in der Praxis zu ermöglichen, WPTES-Systeme korrekt in nicht-kontinuierliche Prozesse zu integrieren. Die Methodik wird auf zwei Fallbeispiele aus der Industrie angewendet, um die Plausibilität und Machbarkeit der Methode zu prüfen und die erhaltenen Ergebnisse zu evaluieren. Darüber hinaus wird ein Regelungskonzept erarbeitet, das den Betrieb des resultierenden Systems ermöglicht.
Methodik für die WPTES Integration
Die Methode zur WPTES-Integration wird in Form eines Arbeitsablaufs dargestellt. Der Arbeitsablauf knüpft am bestehenden Arbeitsablauf der Pinch Analyse an. Er baut auf Elementen der bereits vorhandenen Pinch-Analyse für die direkte Wärmerückgewinnung, dem Indirect Source Sink Profile (ISSP) für die indirekte Wärmerückgewinnung sowie auf einer Erweiterung des ISSP für die Integration des WPTES-Systems auf. Die Erweiterung besteht aus der Ableitung einer angepassten Grand Composite Curve (GCC) für das ISSP und dem Inverted Residual ISSP, die beide die Platzierung der WP im System unterstützen. Beim Arbeitsablauf handelt es sich um einen variantenbasierten Ansatz. Er überlässt den Ingenieurinnen und Ingenieuren in allen Phasen die Kontrolle über die Entscheidungen, so dass sie die zu evaluierenden Lösungsvarianten auswählen und direkt beeinflussen können. Mit einem Optimierungsprogramm können die minimalen Investitionskosten für eine gegebene Lösungsvariante berechnet werden. Das Optimierungsprogramm besteht aus einer Kombination von Heuristiken und einem nicht-linearen Programm. Es ist nicht auf die WPTES-Integration beschränkt, sondern kann allgemein für die indirekte Wärmerückgewinnung mittels ISSP eingesetzt werden.
Regelungsstrategie
Aus Sicht Regelung bringt die Umsetzung eines WPTES-Systems zusätzliche Herausforderungen mit sich, da neue Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Prozessströmen geschaffen werden. Alle Prozessströme sind potenziell Schwankungen in Bezug auf die Zeitpläne und Eintrittsbedingungen (vor allem Temperatur und Massenstrom) unterworfen. Diese Schwankungen wirken sich auf den Betrieb der WPTES-Anlage aus und damit möglicherweise auch auf die Erwärmung oder Abkühlung anderer Ströme. Steht beispielsweise aus beliebigen Gründen ein geringerer Wärmeüberschuss aus den Wärmequellen zur Verfügung, kann das WPTES-System nicht genügend Wärme an die Wärmesenken liefern. Ungeplante Änderungen im Zeitplan erfordern ebenfalls Eingriffe des Steuerungssystems, um die Prozessanforderungen zu erfüllen. Um solche unerwünschten Einflüsse zu vermeiden, wird die Regelungsstrategie von WPTES-Systemen untersucht, um einen stabilen Betrieb des integrierten Prozesses zu ermöglichen. Die Arbeit umfasst die Untersuchung des multivariablen Regelungsproblems von Wärmepumpen, die mit Schichtspeichern zur Wärmerückgewinnung in industriellen Prozessen gekoppelt sind. Ein dynamisches Modell des Systems ermöglicht die Bewertung der Regelstrategie. Aus der Analyse des Regelungsproblems wird eine Regelungsstrategie vorgeschlagen, die aus einer zweistufigen Regelungshierarchie besteht. Die beiden Ebenen trennen die übergeordnete Energiemanagementaufgabe (high-level) und die untergeordnete Echtzeitsteuerungsaufgabe (lowlevel). Die Regelungsstrategie wird anhand eines Testfalls evaluiert, um die Funktionsfähigkeit der Strategie zu demonstrieren. Die Low-Level-Aufgabe kann mit Standardreglern (z.B. PID) bewältigt werden. Für die High-Level-Aufgabe ermöglicht die geeignete Platzierung der Utility-Wärmeübertrager innerhalb des WPTES-Systems eine vereinfachte Regelungsaufgabe, während gleichzeitig ein minimaler Verbrauch an Utilities gewährleistet wird.
Fallstudien
Um die Praxistauglichkeit des Arbeitsablaufs für die WPTES-Integration zu überprüfen, wurde dieser an Fallbeispielen aus der Industrie erprobt. Es wurden zwei Arten von nicht-kontinuierlichen Prozessen ausgewählt, ein Batch-Prozess und ein Prozess mit mehreren Betriebsfällen, beide aus der Lebensmittelindustrie. Die ausgewählten Fallbeispiele repräsentieren damit die Art von nichtkontinuierlichen Prozessen, wie sie in der Schweizer Industrie häufig anzutreffen sind. Die Evaluation der Fallbeispiele zeigt, dass der WPTES-Arbeitsablauf in Verbindung mit den entwickelten Software-Tools praktikable Integrationsoptionen liefert, die eine fundierte Design-Entscheidung ermöglichen. Es zeigt sich, dass die Betriebsdauer und die Anzahl der Chargen eine wichtige Rolle für die wirtschaftliche Machbarkeit der Lösungen spielen.
Wichtigste Ergebnisse
- Der entwickelte benutzergeführte Arbeitsablauf ermöglicht die Integration der Wärmepumpe und des zugehörigen Wärmeübertrager- und Speichernetzwerks in nicht-kontinuierliche Prozesse über zwei mögliche Pfade. Der Arbeitsablauf beinhaltet eine neuartige, adaptierte Grand Composite Curve, basierend auf dem Indirect Source Sink Profile, für die Integration der WP. Um die Platzierung der WP zu unterstützen, wird eine Enumeration der möglichen Platzierungsoptionen durchgeführt. Das Ergebnis wird in der angepassten Grand Composite Curve dargestellt, um die Auswirkungen der WP Platzierung auf die Komplexität des resultierenden Systems zu zeigen. Zudem erleichtert ein Optimierungsprogramm für die ISSP die Variantenanalyse.
- Die Auswertung der Fallbeispiele zeigt, dass die WPTES-Integration im Fallbeispiel 1 den Heizbedarf eliminiert und den Kältebedarf um 71-79 % reduziert, während die Treibhausgasemission der Utilities um 84-87 % reduziert werden. Die jährlichen Gesamtkosten werden um 22 % gesenkt. Die resultierende Wirtschaftlichkeit der Varianten ist mit einem statischen Payback von durchschnittlich 5 Jahren ähnlich für geschätzte Investitionskosten von rund 700'000 CHF. Die Auslegung und die Komplexität der WPTES-Systeme sind jedoch unterschiedlich. Die Analyse von Fallbeispiel 2 zeigt hingegen auf, dass die WPTES-Integration in diesem Fall wirtschaftlich nicht sinnvoll ist und ein indirektes WRG-System mit TES (ohne WP) integriert werden sollte. Die in den Arbeitsablauf integrierte Variantenanalyse bietet Ingenieurinnen und Ingenieuren einen systematischen Weg zur Entscheidungsfindung.
- Es wurde eine Regelungsstrategie für das WPTES-System entwickelt und mittels Simulationen getestet. Das System kann mit der vorgeschlagenen Regelungsstrategie zuverlässig betrieben werden, wobei ausschliesslich auf industrieerprobte Standardkomponenten und -regler zurückgegriffen werden kann.
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Schlussbericht
(Englisch)
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More than half of the end energy use in the Swiss industry is dedicated to process heat. This amounts to approximately 11 % of the entire end energy use in Switzerland. To achieve the Swiss policy objective of net zero greenhouse gas emissions by the year 2050, it is therefore crucial to improve the energy efficiency and transition towards renewable energy sources in industry. Furthermore, industry is the most challenging sector to decarbonize due to the high complexity, heterogeneity, and temperature levels of the heating and cooling requirements. In industry, the requirements for process heating and cooling are highly specific. Heat pumps (HPs) can often satisfy these needs. They represent an environmentally friendly and economically attractive alternative to conventional fossil fuel heating systems. Electrification of heat supply is an energetically convincing concept for decarbonization of industrial processes as this facilitates integration of renewable energy sources. HPs are thus one of the key technologies for electrification of industrial processes. However, due to the non-continuous nature of many industrial processes in Switzerland, integration of HPs together with thermal energy storage (TES) systems is required for the exploitation of heat recovery potentials. While existing pinch analysis methodologies enable either the integration of HP in continuous processes or TES into non-continuous processes, the combination thereof is, however, not investigated to date. In this Swiss Federal Office of Energy co-financed research project, HPTES, a new and practical methodology for the cost-optimal integration of heat pumps and thermal energy storage in noncontinuous processes is developed. The aim of the methodology is to enable practicing engineers to correctly integrate HPTES systems in non-continuous processes. The methodology is applied to two industrial case studies to study the plausibility and feasibility of the method and the associated results. In addition, a control concept to enable the operation of the resulting system is established.
Methodology for HPTES integration
The method for HPTES integration is presented as a workflow. It is integrated into the pinch analysis workflow as used in Switzerland. The HPTES workflow consists of existing pinch analysis for direct heat recovery, and the Indirect Source Sink Profile (ISSP) for the indirect heat recovery as well as an extension of the ISSP for the integration of the HPTES system. The extension consists of the derivation of an adapted Grand Composite Curve for the ISSP and the inverted residual ISSP, which both assist the placement of the HP in the system. The workflow is a variant based approach to the task. The developed workflow is intended to keep the practicing engineers at all stages in control of the decisions, allowing them to decide which solution variants to evaluate and influence them directly. An optimization program for the determination of the minimal investment cost for a given solution variant is derived. This optimization program comprises a combination of heuristics and a nonlinear program and is not limited to the HPTES integration alone but applies to the indirect heat recovery integration with the ISSP in general.
Control strategy
From a control perspective, the implementation of a HPTES system implies additional challenges as new dependencies between the different process streams are created. All process streams are potentially subjected to fluctuations in terms of schedules and inlet conditions (mostly temperature and mass flow rates). These fluctuations affect the operation of the HPTES system and thereby may possibly affect the heating or cooling of the other streams. If, for example, there is for arbitrary reasons a smaller heat surplus from the heat sources available, the HP will not be able to provide sufficient heat to the heat sinks. Unplanned changes in the schedule require similarly actions from the control system in order to fulfill the process requirements. To avoid such undesirable influences, the control design of HPTES systems is investigated to allow a stable operation of the integrated process. The work includes the investigation of the multivariable control problem of heat pumps coupled to stratified thermal energy storages for the heat recovery in industrial processes. A dynamic model of the system allowing for the evaluation of the control strategy is described. Furthermore, the control problem is analyzed and a control strategy consisting of a two-level control hierarchy is proposed. The two levels separate the highlevel energy management task and the low-level real-time control task. The control strategy is subsequently evaluated through a test case which demonstrates the performance of the strategy. The low-level task can be handled with distributed industry standard controllers (e.g. PID). For the high-level task, the suitable placement of the utility heat exchangers within the HPTES system allow for a simplified control task while ensuring minimal utility usage.
Case studies
To verify the practicality of the developed workflow for the HPTES system in industrial processes, industrial case studies were evaluated. The case studies of the PinCH base and the pinch analyses supported by the Swiss Federal Office of Energy were studied to find suitable test-cases for this project. Two types of non-continuous processes were selected, a batch process and a process with multiple operating cases, both from the food industry. The selected case studies are intended to represent the type of non-continuous processes that are frequently encountered in Swiss industry. The analyses of the case studies show that the HPTES workflow alongside with the developed software-tools yield practical feasible HPTES integration options allowing for an informed design-decision. However, the operating period and number of batches play important roles in the economic feasibility of the solutions.
Main findings
- The developed user guided workflow allows the integration of HP and the associated heat exchanger and storage network in non-continuous processes through two possible pathways. The workflow includes a novel adapted Grand Composite Curve, based on the indirect source sink profile, for the integration of the HP. To support the placement of the HP, an enumeration of the feasible placement options is performed. The result of this enumeration is presented in the adapted Grand Composite Curve to show the impact of the HP placement on the complexity of the resulting system. The workflow also implements an optimization program to facilitate the variant analysis.
- In the case study application, the integration of HPTES system in case study 1 eliminates the hot utility and reduces the cold utility by approximately 71- 79 %; the utility GHG emissions are reduced by approximately 84-87 %. The total annual cost is reduced by 22 %. The resulting economic efficiency of the variants are similar with a static paybacks of averagely 5 years for the estimated investment of about 700’000 CHF. However, the design and the complexity of the HPTES systems are different. The analysis of case study 2, on the other hand, shows that HPTES integration is not economic in this case but that an indirect HR system with TES (without HP) should be integrated. The variant analysis incorporated in the workflow provides a systematic way for the engineers for decision making.
- A control strategy for the HPTES system has been developed and tested by the means of process simulation. The system can be controlled with the proposed control strategy, relying solely on industry-proved standard components and controllers.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Französisch)
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Plus de la moitié de l'énergie finale utilisée par l'industrie suisse est consacrée à la chaleur industrielle. Cela représente environ 11 % de la consommation totale d'énergie finale en Suisse. Pour atteindre l'objectif politique suisse de zéro émission nette de gaz à effet de serre d'ici 2050, il est donc crucial d'améliorer l'efficience énergétique et d’accélérer la transition vers des sources d’énergie renouvelables dans l’industrie. En outre, l'industrie est le secteur le plus difficile à décarboniser en raison de la complexité, de l'hétérogénéité et des niveaux de température élevés des besoins de chauffage et de refroidissement. Dans l'industrie, les exigences en matière de chauffage et de refroidissement des procédés sont très spécifiques. Les pompes à chaleur (PAC, HP) peuvent souvent répondre à ces besoins. Elles représentent une alternative écologique et économiquement intéressante aux systèmes de chauffage conventionnels à combustibles fossiles. L'électrification de la fourniture de chaleur est un concept énergétiquement convaincant pour la décarbonisation des processus industriels, car elle facilite l'intégration des sources d'énergie renouvelables. Les pompes à chaleur sont donc l'une des technologies clés pour l'électrification des processus industriels. Cependant, en raison de la nature discontinue de nombreux procédés industriels en Suisse, l'intégration de PAC avec des systèmes de stockage d'énergie thermique (TES) est nécessaire pour l'exploitation des potentiels de récupération de chaleur. Alors que les méthodologies existantes de l'analyse Pinch permettent soit l'intégration de PAC dans des procédés continus, soit l'intégration de TES dans des procédés discontinus, leur combinaison n'a pas été étudiée à ce jour. Dans ce projet de recherche cofinancé par l'Office fédéral de l'énergie, HPTES, une nouvelle méthodologie pratique pour l'intégration optimale en termes de coûts de pompes à chaleur et de stockage d'énergie thermique dans les procédés discontinus est développée. L'objectif de cette méthodologie est de permettre aux ingénieurs praticiens d'intégrer correctement les systèmes HPTES dans les procédés discontinus. La méthodologie est appliquée à deux études de cas industriels pour étudier la plausibilité et la faisabilité de la méthode et les résultats associés. Un concept de contrôle permettant l’exploitation du système obtenu est également élaboré.
Méthodologie d'intégration HPTES
La méthode d'intégration HPTES est présentée sous forme d’un processus de travail. Elle est intégrée dans le processus de l'analyse Pinch tel qu'il est utilisé en Suisse. Elle se compose de l'analyse Pinch existante pour la récupération de chaleur directe, des profils indirects des sources et des puits (ISSP) pour la récupération de chaleur indirecte, et d'une extension des ISSP pour l'intégration du système HPTES. L'extension consiste en la dérivation d'une courbe grande composite (GCC) adaptée pour les ISSP, et les ISSP résiduels inversés, qui aident tous deux à placer la PAC dans le système. Le processus de travail est une approche de la tâche basée sur des variantes. Le processus proposé est conçu pour que les ingénieurs praticiens gardent le contrôle des décisions à tous les stades, en leur permettant de décider quelles variantes de solution évaluer et de les influencer directement. Un programme d'optimisation pour la détermination du coût d'investissement minimal pour une variante de solution donnée est élaboré. Ce programme d'optimisation combine des règles d'heuristiques et une formulation par programmation mathématique non linéaire, et son usage n'est pas limité à l'intégration HPTES seule mais s'applique à l'intégration de la récupération indirecte de chaleur avec l'ISSP en général.
Stratégie de contrôle
Du point de vue du contrôle, la mise en oeuvre d'un système HPTES implique des défis supplémentaires car de nouvelles dépendances entre les différents flux de procédés sont créées. Tous les flux de procédés sont potentiellement soumis à des fluctuations en termes de planning temporel et de conditions d'entrée (principalement la température et le débit massique). Ces fluctuations affectent le fonctionnement du système HPTES et peuvent donc éventuellement affecter le chauffage ou le refroidissement des autres flux. Si, par exemple, pour des raisons quelconques, l'excédent de chaleur des sources de chaleur disponibles est moindre, la PAC ne pourra pas fournir suffisamment de chaleur aux puits de chaleur. Les changements non planifiés dans le programme nécessitent des actions similaires de la part du système de contrôle afin de répondre aux exigences des procédés. Pour éviter ces influences indésirables, le concept de contrôle des systèmes HPTES est étudié pour permettre un fonctionnement stable du procédé intégré. Le travail comprend l'étude du problème de contrôle multivariable des pompes à chaleur couplées à des stockages d'énergie thermique stratifiés pour la récupération de chaleur dans les procédés industriels. Un modèle dynamique du système permettant l'évaluation de la stratégie de contrôle est décrit. En outre, le problème de contrôle est analysé et une stratégie de contrôle consistant en une hiérarchie de contrôle à deux niveaux est proposée. Les deux niveaux séparent la tâche de haut niveau de gestion de l'énergie et la tâche de bas niveau de contrôle en temps réel. La stratégie de contrôle est ensuite évaluée à travers différentes variations d'un cas test qui démontre la performance de la stratégie. La tâche de bas niveau peut être traitée avec des contrôleurs distribués standard de l'industrie (par exemple, PID). Pour la tâche de haut niveau, le placement approprié des échangeurs de chaleur d’utilité dans le système HPTES permet de réaliser un contrôle simplifié tout en assurant une consommation minimale d’utilité.
Études de cas
Pour vérifier la praticité du processus de travail développé pour le système HPTES dans les procédés industriels, des études de cas industriels ont été évaluées. Les études de cas de la base PinCH et les analyses Pinch soutenues par l'Office fédéral suisse de l'énergie ont été étudiées pour trouver des cas tests appropriés pour ce projet. Deux types de procédés discontinus ont été sélectionnés, un procédé par lot et un procédé avec cas de fonctionnement multiples, tous deux issus de l'industrie alimentaire. Les études de cas sélectionnées veulent ainsi représenter des procédés discontinus typiques fréquemment rencontrés dans l'industrie suisse. Les analyses des études de cas montrent que le processus de travail HPTES, avec les outils logiciels développés, produisent des options d'intégration HPTES pratiques et réalisables, permettant des choix conceptuels éclairés. Cependant, la période de fonctionnement et le nombre de lots jouent un rôle important dans la rentabilité économique des solutions.
Principales conclusions
- Le processus de travail développé, guidé par l'utilisateur, permet l'intégration d’une PAC et du réseau d’échangeurs et de stockage de chaleur (HESN) associé dans les procédés discontinus, et ceci selon deux voies possibles. Le processus comprend une nouvelle courbe grande composite adaptée, basée sur les profils indirects des sources et des puits, pour l'intégration de la PAC. Pour faciliter le placement de la PAC, une énumération des options de placement réalisables est effectuée. L’effet du placement d’une PAC sur le nombre de zones d’assignation (nombre de niveaux de température du TES) est représenté dans cette courbe grande composite adaptée. Le processus de travail met également en oeuvre un programme d'optimisation pour faciliter l'analyse des variantes.
- Dans l'application aux études de cas, l'intégration du système HPTES dans l'étude de cas 1 élimine l'utilité chaude et réduit l'utilité froide d'environ 71-79 % ; les émissions de GES de l'utilité sont réduites d'environ 84-87 %. Le coût annuel total est réduit de 22 %. La rentabilité économique résultante des variantes est similaire avec un payback statique d'environ 5 ans pour un investissement estimé à environ 700'000 CHF. Cependant, la conception et la complexité des systèmes HPTES sont différentes. En revanche, l'analyse de l’étude de cas 2 montre que l'intégration HPTES n'est pas économiquement viable dans ce cas et qu'un système de récupération de chaleur indirecte avec TES (sans PAC) devrait être intégré. L'analyse des variantes intégrée au processus de travail fournit aux ingénieurs une démarche systématique pour la prise de décision.
- Une stratégie de contrôle pour le système HPTES a été développée et testée au moyen de la simulation du procédé. Le système peut être contrôlé avec la stratégie de contrôle proposée, en utilisant uniquement des composants et des régulateurs standards éprouvés dans l'industrie.
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