Short description
(German)
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DeCarb-PUI baut auf dieser weitreichenden Aussage auf: In einer Welt mit begrenzten Ressourcen: Denken Sie in Exergie, nicht in Energie (Science Europe 2016). In vielen Industriezweigen führt die Wärmeübertragung zu großen Exergieverlusten, insbesondere aufgrund von Versorgungssystemen, die darauf ausgelegt sind, die für den anspruchsvollsten Prozess erforderliche Temperatur zu erreichen. So sind beispielsweise Mitteldruckdampfsysteme de facto ein „Standard“, weshalb die Hersteller ihre Prozessausrüstung entsprechend auslegen. DeCarb-PUI stellt diese Standards in Frage und konzentriert sich auf die Wärmeübertragung an der Schnittstelle zwischen Prozess und Versorgungsunternehmen durch eine Neugestaltung sowohl der Prozesse als auch des Versorgungssystems. Dieser neue Ansatz wird unter Einbeziehung von Partnern aus der Prozessindustrie und von Geräteherstellern entwickelt. Anhand von Fallstudien werden bestehende grafische Tools und Methoden für die Wärmeintegration erweitert und das Dekarbonisierungspotenzial dank einer größeren Wärmerückgewinnung sowie einer höheren Effizienz und Rentabilität von Technologien zur Wärmeaufbereitung (Wärmepumpen) und erneuerbaren Ressourcen aufgezeigt.
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Short description
(English)
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DeCarb-PUI builds upon this far-reaching statement: In a resource constrained world: think exergy, not energy (Science Europe 2016). In many industrial sectors, heat transfer induces large exergy losses, notably due to utility systems designed to meet the temperature required by the most de-manding process. E.g., medium pressure steam systems are a de facto “standard”, thus manufac-turers design their process equipment accordingly. DeCarb-PUI challenges these standards and focuses on heat transfer at the process-utility interface through redesign of both the processes and the utility system. This new approach is set up by involving partners from both process industries and equipment manufacturers. Case studies are used to extend existing graphical tools and methods for heat integration, and to demonstrate the decarbonization potential thanks to larger heat recovery, and enhanced efficiency and profitability of heat upgrading technologies (heat pumps) and of renew-able resources.
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Short description
(French)
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DeCarb-PUI s'appuie sur ce slogan: Dans un monde à ressources limitées: pensez exergie, pas énergie (Science Europe, 2016). Dans les procédés industriels, le transfert de chaleur induit de grandes pertes d'exergie lorsque les utilités sont conçues pour atteindre la température requise par le procédé le plus exigeant. Par ex., les systèmes vapeur moyenne pression sont une "norme" de facto, et les fabricants conçoivent leurs équipements en conséquence. DeCarb-PUI challenge ces normes et se concentre sur les transferts à l'interface procédé-utilité, par le redesign des procédés et des utilités. Cette nouvelle approche est menée avec des partenaires des industries de procédés et des fabricants d'équipements. Des études de cas servent à étendre les outils et les méthodes graphiques existants, et à démontrer le potentiel de décarbonisation par une récupération de chaleur améliorée, ainsi qu’une efficacité et rentabilité accrues des technologies de pompe à chaleur et res-sources renouvelables.
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Final report
(German)
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Bei den Bestrebungen der Industrie zur Dekarbonisierung spielen Prozessintegration, Energieumwandlung und erneuerbare Technologien eine entscheidende Rolle. Wenn man sich jedoch ausschließlich auf diese Technologien verlässt, kann eine tiefgreifende Dekarbonisierung aufgrund der inhärenten Ineffizienzen herkömmlicher Versorgungssysteme oft nicht erreicht werden. In vielen Industriesektoren sind die Versorgungssysteme so ausgelegt, dass sie den höchsten Temperaturanforderungen gerecht werden, was oft zu erheblichen Exergieverlusten führt. DeCarb-PUI (Decarbonization of Industrial Processes through Redesign of the Process-Utility Interface) befasst sich mit diesen Ineffizienzen, indem es die Schnittstellen zwischen Prozessen und Versorgungssystemen neu gestaltet, um eine höhere Energieeffizienz zu erreichen, Exergieverluste zu verringern und eine weitgehende Dekarbonisierung zu ermöglichen. DeCarb-PUI legt den Schwerpunkt auf die Exergie-Effizienz - eine entscheidende Kennzahl in ressourcenbeschränkten Branchen - und nicht auf reine Energieeinsparungen. Herkömmliche Versorgungssysteme, wie z. B. Mitteldruckdampfnetze, führen häufig zu einer ineffizienten Ressourcennutzung, da Energieversorgung und Prozessanforderungen nicht aufeinander abgestimmt sind. Durch ein Umdenken bei der Wahl/Auslegung der Vorlauftemperaturen und die Integration fortschrittlicher Technologien wie Wärmepumpen bietet DeCarb-PUI Lösungen, die die Wärmeübertragung optimieren, die Energieverschwendung reduzieren und eine nachhaltige Energienutzung fördern. Dieser Ansatz wird durch die Einbeziehung von Partnern aus der Prozessindustrie und von Anlagenherstellern umgesetzt. Dieser Bericht bietet eine praxis-orientierte Methodik, um industrielle Interessengruppen und Anlagenhersteller durch das Dekarbonisierungspotenzial der PUI-Neugestaltung zu führen. Er zeigt, wie mit der in DeCarb-PUI entwickelten Methodik eine größere Wärmerückgewinnung, eine verbesserte Energieeffizienz und eine höhere Rentabilität erreicht werden können. Der Kern von DeCarb-PUI liegt in seinem integrierten Ansatz, der aus drei Schlüsseltechniken besteht:
• Pinch-Analyse: Rahmen für die Datenextraktion der Heiz- und Kühlbedarf in verschiedenen Prozessen, um optimale Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung zu bestimmen,
• Exergie-Analyse: Quantifizierung von Ineffizienzen in Energiesystemen mit Schwerpunkt auf Verlusten auf verschiedenen Ebenen wie thermodynamische Anforderungen, technologische Anforderungen und Energieversorgung,
• Technoökonomische Analyse: Bewertung der Kosteneffizienz der vorgeschlagenen Maßnahmen unter Verwendung von Kennzahlen wie den CO2-Vermeidungskosten, um wirksame und wirtschaftlich tragfähige Lösungen zu ermitteln.
DeCarb-PUI betrachtet diese Verluste ganzheitlich, ermittelt, wo die größten Ineffizienzen auftreten, und entwickelt maßgeschneiderte Lösungen, um diese zu beheben. Je nach Anlage können die Lösungen auf drei Integrationsebenen angewendet werden:
• Lokal: Lösungen, die sich auf einen einzigen Prozess konzentrieren,
• Cluster: Ein „Cluster“ von Prozessen wird über einen einzigen Zwischenkreislauf versorgt,
• Gesamter Standort: Lösungen, die den Energiebedarf einer gesamten Anlage abdecken.
Der Mehrwert der Exergieanalyse liegt in ihrer Fähigkeit, die Energieversorgung mit dem Prozessbedarf abzustimmen, das Dekarbonisierungspotenzial zu quantifizieren und umsetzbare Erkenntnisse für die Prozessumgestaltung zu liefern. Die DeCarb-PUI-Methode wird auf zwei Fallstudien angewendet: eine
industrielle Molkerei und eine Tierfutterfabrik. Die Anwendung auf die Molkerei ergab, dass die Bereitstellung von Heißwasser zwischen 50-100 °C die Exergieverluste um bis zu 46 % und die CO2-Emissionen um bis zu 66 % reduzieren kann. Eine zentralisierte Wärmepumpe für einen Cluster von Prozessen mit Zwischenkreisläufen erwies sich als die kosteneffizienteste und technisch praktikabelste Lösung basierend auf der CO2-Vermeidungskosten. DeCarb-PUI bietet eine robuste Methodik für den nachhaltigen industriellen Wandel, die es der Industrie ermöglicht, eine tiefgreifende Dekarbonisierung, verbesserte Energieeffizienz und wirtschaftliche Machbarkeit zu erreichen. Durch die Anwendung dieser Methodik können industrielle Akteure Nachhaltigkeitsziele mit praktischen und finanziellen Erwägungen in Einklang bringen und einen Maßstab für energieeffiziente und kohlenstoffarme Betriebe setzen.
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Final report
(English)
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As industries strive toward decarbonization, process integration, energy conversion, and renewable technologies play a crucial role. However, relying solely on these technologies often falls short of achieving deep decarbonization due to inherent inefficiencies in conventional utility systems. In many industrial sectors, utility systems are designed to cater to the highest temperature demands, often leading to significant exergy losses. Decarbonization of Industrial Processes through Redesign of the Process-Utility Interface, DeCarb-PUI, project addresses these inefficiencies by redesigning process-utility interfaces to achieve greater energy efficiency, reduce exergy losses, and enable deep decarbonization. DeCarb-PUI emphasizes exergy efficiency—a critical metric in resource-constrained industries—over mere energy savings. Traditional utility systems, such as medium-pressure steam networks, often lead to inefficient resource use due to mismatched energy supply and process requirements. By rethinking utility supply temperatures and integrating advanced technologies like heat pumps, DeCarb-PUI delivers solutions that optimize heat transfer, reduce energy waste, and promote sustainable energy use. This approach is set up by involving partners from both process industries and equipment manufacturers. This report provides a practical methodology to guide industrial stakeholders and equipment manufacturers through the decarbonization potential of PUI redesign. It demonstrates how larger heat recovery, enhanced energy efficiency, and increased profitability can be achieved using methodology developed in DeCarb-PUI. The core of DeCarb-PUI lies in its integrated approach, which consists of three key techniques:
• Pinch Analysis: Framework for data extraction to identify heating and cooling requirements across processes to determine optimal heat recovery opportunities,
• Exergy Analysis: Quantification of inefficiencies in energy systems, focusing on losses at various levels such as thermodynamic requirements, technological, and utility supply,
• Techno-economic Analysis: Assess the cost-effectiveness of proposed measures using metrics like the Levelized Cost of CO2 Abatement to identify impactful and economically viable solutions.
DeCarb-PUI considers these losses holistically, identifying where the largest inefficiencies occur and tailoring solutions to address them. Depending on the facility, solutions can be applied at three integration levels:
• Localized: solutions focused on a single process,
• Cluster: A “cluster” of processes is served by a single intermediate loop,
• Total site: solutions addressing the energy needs of an entire facility.
The added value of exergy analysis lies in its ability to align energy supply with process needs, quantify decarbonization potential, and provide actionable insights for process redesign. The DeCarb-PUI methodology is applied to two case studies: a industrial dairy plant and an animal feed plant. The application to the dairy plant revealed that supplying hot utility between 50–100 °C can reduce exergy losses by up to 46% and CO2 emissions by up to 66%. A centralized heat pump for a cluster of processes with intermediate loops emerged as the most cost-effective and technically viable solution based on the Levelized Cost of CO2 Abatement. DeCarb-PUI provides a robust methodology for moving the industrial sector towards carbon neutrality. By adopting this methodology, industrial stakeholders can balance sustainability goals with practical and financial considerations, setting a benchmark for energy-efficient and low-carbon operations.
Related documents
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Final report
(French)
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Alors que les industries s'efforcent de décarboner leurs activités, l'intégration des procédés, la conversion de l'énergie et les technologies renouvelables jouent un rôle crucial. Toutefois, s'appuyer uniquement sur ces technologies ne permet souvent pas de parvenir à une décarbonation « profonde » en raison des inefficiences inhérentes aux systèmes d'utilités conventionnels. Dans de nombreux secteurs industriels, les systèmes d'utilité sont conçus pour répondre aux demandes de température les plus élevées, ce qui entraîne souvent des pertes d’exergie considérables. Le projet DeCarb-PUI (Decarbonization of Industrial Processes through Redesign of the Process-Utility Interface) s'attaque à ces inefficacités en repensant les interfaces entre les procédés et les utilités afin d'améliorer l'efficience énergétique, de réduire les pertes d'exergie et de permettre une décarbonation accrue. DeCarb-PUI met l'accent sur l'efficience exergétique - une mesure-clé dans les industries aux ressources limitées - plutôt que sur les simples économies d'énergie. Les systèmes d'utilités traditionnels, tels que les réseaux de vapeur à moyenne pression, conduisent souvent à une utilisation inefficiente des ressources due à l'inadéquation entre l'alimentation en énergie et les besoins effectifs des procédés. En repensant les températures d'alimentation et en intégrant des technologies telles que les pompes à chaleur, DeCarb-PUI propose des solutions qui optimisent le transfert de chaleur, réduisent le gaspillage d'énergie et favorisent une utilisation durable de l'énergie. Cette approche est mise en place en impliquant des partenaires issus à la fois des industries des procédés et des fabricants d'équipements. Ce rapport fournit une méthodologie pratique pour guider les acteurs industriels et les fabricants d'équipements à travers le potentiel de décarbonisation de la reconception/modernisation du PUI. Il démontre comment une plus grande récupération de chaleur, une meilleure efficience énergétique et une rentabilité accrue peuvent être obtenues grâce à la méthodologie développée dans DeCarb-PUI. Le coeur de DeCarb-PUI réside dans son approche intégrée, qui consiste en trois techniques clés:
• analyse Pinch : cadre pour l'extraction de données permettant d'identifier les besoins de chauffage et de refroidissement dans les procédés afin de déterminer les possibilités optimales de récupération de la chaleur,
• analyse exergétique : quantification des inefficiences dans les systèmes énergétiques, en se concentrant sur les pertes entre les différents niveaux tels que les exigences thermodynamiques, technologiques et l'approvisionnement en services publics,
• analyse technico-économique : évaluer la rentabilité des mesures proposées à l'aide de métriques telles que le coût de réduction des émissions de CO2 afin d'identifier des solutions efficaces et économiquement viables
DeCarb-PUI considère ces pertes de manière globale, en identifiant où se situent les plus grandes inefficiences et en adaptant les solutions pour y remédier. En fonction de l'installation, les solutions peuvent être appliquées à trois niveaux d'intégration :
• local : solutions axées sur un seul procédé,
• cluster : un groupe de procédés est desservi par une seule boucle intermédiaire,
• site global : solutions répondant aux besoins énergétiques de l'ensemble d'un site industriel.
La valeur ajoutée de l'analyse exergétique réside dans sa capacité à faire correspondre l'approvisionnement en énergie avec les besoins effectifs des procédés, à quantifier le potentiel de décarbonation et à fournir des connaissances réalisables pour la transformation des procédés. La méthode DeCarb- PUI est appliquée à deux études de cas : une laiterie industrielle et une usine d'aliments pour animaux. L'application à la laiterie a révélé que la fourniture d'eau chaude entre 50 et 100 °C pouvait réduire les pertes d'exergie jusqu'à 46 % et les émissions de CO2 jusqu'à 66 %. Une pompe à chaleur centralisée
alimentant un groupe de procédés par le biais de circuits intermédiaires s'est avérée être la solution la plus rentable et la plus viable sur le plan technique, basée sur coûts d’évitement de CO2. DeCarb-PUI fournit une méthodologie robuste pour la mutation du secteur industriel vers la neutralité carbone. En appliquant cette méthodologie, les acteurs industriels peuvent concilier les objectifs de durabilité avec des considérations pratiques et financières et établir une référence, pour leurs opérations, en matière d'efficience énergétique et de réduction des émissions de carbone.
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