2_process optimation_AEE Intec

1

Graz, 18. April 2013

Bettina MusterAEE – Institut für Nachhaltige TechnologienA-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19AUSTRIA

Optimierungen in der Industrie –Potentiale zur Einsparung von thermischer Energie

Nationale und internationale Fallstudien


Überblick

� Energiebedarf in der Industrie

� Vorgehensweise für die Identifizierung von Optimierungsmaßnahmen

� Technologische Optimierung und Systemoptimierung

� Optimierungsmaßnahmen und Einsparpotentiale in der Industrie

� Ergebnisse aus dem EU Projekt EINSTEIN

� Ergebnisse aus dem AT Projekt Solarfoods

2


Energieverbrauch EU 27

� 25% des Endenergiebedarfs in EU27 (2006) fürRaumwärme und Kühlung von Gebäuden

� 28% des Endenergiebedarfs in EU27 (2006) fürIndustrie

� 69.5% des industriellen Endenergiebedarfs in industry für Wärmeproduktion

� 57% im niederen und mittleren Temperaturbereich<= 400°C

Strategic Energy Review 2008; Quelle: EurostatData für 2003, 32 Länder: Quelle: ECOHEATCOOL (IEE ALTENER Project)


Einsparziele EU

� EU-targets by 2020 (20-20-20):

� Reduction of emissions by 20%

� Increase of energy efficiencies by 20%

� Increase of the use of renewable energies up to 20%

3


Energieeffizienz in EU 27

� ODEX EU 27 (European Environment Agency, 2011)

�

ODEX is equivalent to the ratio between the actual energy consumption of the sector in year t and a fictive

consumption without energy savings in the 10 branches;


Europäische Ziele für Treibhausgasemissionen

0,0

1000,0

2000,0

3000,0

4000,0

5000,0

6000,0

1990

1993

1996

1999

2002

2005

2008

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2020

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2026

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2032

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2089

2092

2095

2098

Year

Mt/a

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

180,0

200,0

Mt/a

emissions

targets

reduction in year

Schnitzer, TU Graz

4


Source: UNIDO 2010

Ressourceneffiziente Produktion / Low carbonindustry

� Energieeffizienzschritte zentral wichtig


Optimierungen in der Industrie

� Benchmarkvergleich

� Wichtiges Tool für Einschätzung des gesamten Optimierungspotentials

� Benchmarks kWhth/tProdukt oder kWhel/tProdukt

www.bess-project.info/,

5



� Welche Optimierungen sind sinnvoll?

� Vielzahl an Maßnahmenkatalogen

� IPPT Best Reference Documents

� Manuals und Maßnahmenkataloge aus Projekte


Wärmeverluste am Kessel Erkenntnis Möglichkeiten

Abstrahlverluste

Wasserverluste

Fegedampfverluste

Absalz&Abschlämmverluste

Verschmutzung der Heizflächen

Abkühlverluste

Abgasverluste

• Durch kontinuierliche oder regelmäßige Massenbilanzen können die Verluste entdeckt und beseitigt werden.• Undichtheiten bei Heißwasseranlagen erkennen und beseitigen (Nachspeisemengen) • Sichtkontrollen auf undichte Stellen (Dampfaustritt)• Möglichst viel an Kondensat rückführen• Kondensatableiter regelmäßig kontrollieren

• Brüdenventil nicht zu stark öffnen. (auf keinen Fall komplett schließen Kesselschaden)• Keine zu hohen Temperaturen oder Druck im Speisewasserbehälter (Soll 103°C oder 0,3bar)

• Anlage mit möglichst hohe Eindickung betreiben • (Leitwert Speisewasser/ Leitwert Kesselwasser)• Häufigkeit der Abschlämmung optimieren (Wasserwerte lt. ABV Anlage 3)• Kontrolle der Wasserwerte

• Abgastemperatur kontrollieren• Regelmäßige Kontrolle der Wasserqualität (lt. ABV Anlage 3)• Kontrolle der Heizflächen (Kesselservice)

• Lasten (wenn möglich) gleichmäßig verteilen• Es ist besser einen Kessel im oberen Lastbereich zu betreiben als zwei im unteren mit häufigeren Brennerstarts.

• Kesseldruck oder Kesseltemperaturniveau möglichst nahe an den in den Anlagen benötigten Niveaus anpassen. (Temperaturdifferenz Kesselwand zur Umgebung)• Wenn es der Betrieb zulässt, keinen Kessel als Ausfallssicherheit in Stand-By- Betrieb mitlaufen lassen. • Kesselleistung oder zumindest das Regelverhältnis so dimensionieren, dass ein möglichst durchgehender Betrieb gewährleistet ist.

z.B. Einbau einer Schaltuhr um mit derer Hilfe ein unterschiedliches Temperatur- oder Druckniveau vorgegeben werden kann. (z.B. Nachtbetrieb, Wochenendbetrieb)Da es im Nachhinein kaum möglich ist die Isolierung eines Kessels ohne sehr hohem Aufwand zu verbessern, sind die Möglichkeiten die Abstrahlungsverluste zu Verringern sehr begrenzt.

• Kontinuierliche Aufzeichnung der Abgastemperaturen• Genaue Analyse des Kesselwassers und des Kondensates • Moderne Wasseraufbereitungsanlage

• Richtig dimensionierte Kessel• Richtig dimensionierte Brenner zur Kesselleistung• Brenner mit einem großen Regelverhalten größer 1:4• Stetige Brennerbetriebsweise anstelle von stufiger Betriebsweise• Intellegente Regelungstechnik und Konzepte

• Regelmäßige Kontrolle der Abgastemperatur• Bei Anstieg der Abgastemperatur Ursache erheben und beseitigen (z.B. reinigen der Abgaszüge)• Regelmäßige Brenner und Kesselwartungen

• Kontinuierliche Leitwertmessung und Regelung mit Optimierung auf den größtmöglichen Eindickungsfaktor• Betrieb einer Voll- oder zumindest Teilentsalzungsanlage für das Kesselwasser (z.B. Umkehrosmoseanlage) • Wärmerückgewinnung des Abschlämm- und Absalzwassers

• Regelung welche den Sauerstoffgehalt im Kondensat oder im Speisewasserbehälter ermittelt und die Fegedampfmenge über ein Regelventil optimiert.• Wärmetauscher in der Fegedampfleitung (Entstehendes Kondensat darf auf keinen Fall in den Kesselkreis rückgeführt werden)

• Einbau eines Eco (Abgaswärmetauscher zur zusätzlichen Erwärmung des Speisewassers)• Speisewasserunterkühlung (dem Speisewasser wird vor dem Eintritt in den Eco noch zusätzlich Wärme entzogen, (Speisewasser kommt im Normalfall mit ca. 103°C zum Eco) um die Effektivität des Eco zu erhöh en. • Einbau eines Luvo (Verbrennungsluftvorwärmung) Grenzen: Nox-Bildung durch erhöhte Verbrennungslufttemperatur• Der Einsatz von kleineren Feuerungsleistungen an vorhandenen, größeren Kesselanlagen ist mit neuen, optimierten Brennern durchaus sinnvoll.

Beispiel - Maßnahmen im Kesselhaus

� Luftzufuhr der Brenner

� Kesselregelung

� ECO

� Fegedampf

� Absalzung

� Offene Kondensatsysteme

� ….

6


Beispiel - Maßnahmen im Kesselhaus

� Analyse für Maßnahmenfindung nötig


Methodische Vorgehensweise

� �� Herausfinden von Maßnahmen erfordert methodische Vorgehensweise

Company visit

Analysis of

status quo

Preparation

Contact• First contact

• Use solar- or branch specific information to get an overview

• Review additional reports of realized project or case studies

• Call company to clarify questionnaire (data, motivation, future strategies)

• Decide if potential for a solar process heat system is given

• Get overview of production site, heat consumers, and heat supply system together

with responsible technical staff of company

• Find out about future plans and strategy of the company

• Collect, draw and discuss sketches (production flow, possible integration points,

roof area, location for storages, etc.) with technical staff

• Use simple questionnaire to get most important information before company visit

• Questionnaire is applicable for all industry sectors and includes client´s motivation

• Crosscheck gathered data with available benchmarks

• Draw energy balance and flow sheet of production, try to estimate energy

consumption of single production sections or processes

Actual depth of this analysis is based on available data and resources of auditor

Basic data

acquisition

• Decide if potential for a solar process heat system is given

4

5

3

2

1

Process

optimization &

energy efficiency

• Check heat recovery potential within utilities (supply of heat, cold, compr. air)

• Investigate energy saving potential for processes (installations, control, etc.)

Effort and depth of this step is based on the knowledge and resources of auditor

• Apply the following criteria to all production processes with heat demand:

temperature level, load profile, amount of thermal energy consumed, effort for

6

7


Erhebung und Darstellung Status Quo


Erhebung und Darstellung Status Quo

8


Optimierung und Einbindung Erneuerbarer


Prozessintensivierung?

Deg

ree

of r

esou

rce

use E

nvironmental burden

Period of End of Pipe Technologies

A better environment has been achieved through additional equipment

(filters, scrubbers, incinerators, …) that needed also more energy and

process chemicals

time

Schnitzer, TU Graz

9


Prozessintensivierung? D

egre

e of

Res

ourc

e U

seE

nvironmental burden

Period of End of Process Integrated Pollution Prevention and Control (IPPC)

Emission Reduction has been achieved through a reduction of

process chemicals and energy needed.

But this has been achieved through further equipment

(heat exchangers, membranes, closed cycles, …)

time

Schnitzer, TU Graz


Now PI(Process Intensification)

is needed,where also the resource use

for equipment is reduced.

Prozessintensivierung?

Deg

ree

of R

esou

rce

Use

Environm

ental burden

time

Schnitzer, TU Graz

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Stankiewicz, TU Delft


Prozessintensivierung – Mischen und Wärmeübergang

� Traditionelle Prozesstechnologien

• Rührkesseln mit Wandheizung

• Tunnelpasteure / Kammerpasteure

• Autoklaven

• Plattenwärmetauscher

• Etc.

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Warum Änderungen von Prozesstechnologien?

� Von Batch-Prozessen zu kontinuierlichen Prozessen

• Hohe Prozesseffizienz, kleine Verweilzeitverteilung, strukturierte Prozesse

• Gute Prozesskontrolle

• Geringe Energiedichten (keine Spitzen im Heiz/Kühlbedarf)

• Geringerer Reinigungsbedarf

• Geringere Energieverteilungsverluste durch kontinuierlichen Bedarf

Stankiewicz, TU Delft



� Verbesserter Wärme- und Massentransfer

� Ferrouillat et a., 2006

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� Prozesssynergien: Größenminimierung, verbesserter Wärme- und Massentransfer, weniger Reinigung…

Feed A Feed B

Mixing

Holding

Reaction

CIP for hold ing tank

Feed A Feed B

Mixer&

Reactor

Initia l p rocess Inten sified p rocess

eliminating process stepsreducing energy

reducing materia l lossesincreasing process time


Änderungen von Prozesstechnologien

� Hohes Optimierungspotential in Industrie (Studien zeigen bis zu >20% Einsparpotential)

� Allerdings nicht immer nötig:

� Optimierungen bestehender Technologien kann auch zu sehr guter Einbindung von erneuerbarer Energie führen

• Adaptierung von Wärmetauschern

• Änderungen der Prozesskontrolle

• Änderungen von Prozesstemperaturen

• etc.

• Neue Lösungen beinhalten nicht zwangsweise Nutzung neuer Prozesstechnologien

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Optimierung und Einbindung Erneuerbarer


Systemoptimierung

� Gegenüberstellung des gesamten Wärmebedarfs zur Wärmeverfügbarkeit

� Pinch Analyse

� Betrachtung des gesamten Wärmesystems inkl. Wärmetauscher und Speicher als Basis für Einbindung erneuerbarer Energie

� Simulationstool SOCO

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Industriebeispiel GÖSS

� Analyse der IST Situation (2008)

� Prozessoptimierung und Vision/Potential Einbindung Erneuerbarer Energie

� Demonstrationsprojekt Biogas aus Trebern

� Demonstrationsprojekt Solare Prozesswärme


Projektabriss SolarBrew

� Demonstration der technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit von drei solarthermischen Großanlagen im Leistungsbereich >1MWth in der Brauindustrie.

- Energieeffizienzsteigerung und Solarintegration auf Prozessebene bei Prozesstemperaturen < 80°C

- Insgesamt >5MWp,th an 3 Standorten + Monitoring (1 Jahr)

- „Green Brewery Sector Concept“ �� Training und Dissemination

Solar Brew: Solar Brewing the Future

EU FP7 (2012 – 2015)Projekt Nr. 295660

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Projektabriss SolarBrew

� Projektkonsortium

- AEE INTEC (Koordination)

- HEINEKEN Supply Chain B.V.

- GEA Brewery Systems GmbH

- Partner Anlagenbau

- Sunmark A/S

- Partner Solarthermie

Solar Brew: Solar Brewing the Future

EU FP7 (2012 – 2015)Projekt Nr. 295660


Überblick

� Energiebedarf in der Industrie

� Vorgehensweise für die Identifizierung von Optimierungsmaßnahmen

� Optimierungsmaßnahmen und Einsparpotentiale in der Industrie

� Ergebnisse aus dem EU Projekt EINSTEIN

� Ergebnisse aus dem AT Projekt Solarfoods

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EINSTEIN

� Ergebnisse aus >70 internationalen Energieaudits


EINSTEIN

� Industries and SMEs with large thermal energy demand at low & medium temperature up to 400ºC

�Manufacturing sectors:

� Food industry,

� Breweries,

� Pharmaceutical, chemical,

� Pulp & paper,

� Textile,…

� Large buildings (e.g. commercial centres, hospitals, offices,...)

� District heating and cooling networks

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Challenges in energy audits

� Optimised supply of thermal energy in industry is complex:

� Developed infustructure in the industry without real data available (esp. SME)

� Averaged data for different periods

� Cost and time consuming measurements necessary

� Processes at different temperature levels and different operating times have to be integrated and combined

� Combination of different heat supply technologies for an optimised energy supply

� High acquisition and evaluation demand while the potentials can hardly be foreseen


Approach of EINSTEIN (1)

� Development of a fast-audit to estimate potentials

� Standardised data acquisition, modeling and audit steps

� Automated background calculations

� Holistic vision of energy supply and demand

� Process optimisation �� demand reduction measures

� Heat recovery

� Intelligent combination of heat and cold supply technologies

� Implementation of renewables

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REPORTING

DATA ACQUISITION(QUESTIONNAIRE)

CONSISTENCY CHECK

ENERGY STATISTICS

BENCHMARKING

PROCESS OPTIMISATION

HEAT RECOVERY

HEAT&COLD SUPPLY SYSTEMS

ENERGY AND ENVIRONMENTAL PERFORMANCES

ECONOMIC ANALYSIS

ALTERNATIVES COMPARISON

DATA ANALYSIS

ALTERNATIVEPROPOSALS:

DESIGN

ALTERNATIVEPROPOSALS:EVALUATION

REPORT

DATA ACQUISITION AND CHECK

Software


EINSTEIN – results (2)

� Comparison present state and proposals

� Primary energy consumption

� Energetical evaluation

� Environmental evaluation

� Economical evaluation

� Report generation

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EINSTEIN - summary

� EINSTEIN II:

� Performance of 72 energy audits in 10 European countries (Austria, Germany, United Kingdom, Spain, Italy, France, Luxembourg, Ireland, Slovakia, Bulgaria)

� Introductory and advanced trainings for energy consultants and auditors in all named participating countries

� National projects within additional audits have been performed

� Release of EINSTEIN 2.2 in December 2012


Audits Summary (1)

20


Audits Summary (2)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

-

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

700.000

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Sa

vin

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[%]

PE

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MW

h]

Primary Energy Consumption

PEC_origin PEC_new PEC_savings_%


Audit Summary (3)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

-

100.000

200.000

300.000

400.000

500.000

600.000

AUT GER FRA ITA IRL UK BUL SVK ESP LUX

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gs

[%]

PE

C [

MW

h]

Primary Energy Consumption

PEC_origin PEC_new PEC_savings_%

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Audit Summary (4)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

-

2.000.000

4.000.000

6.000.000

8.000.000

10.000.000

12.000.000

14.000.000

16.000.000

18.000.000

AUT GER FRA ITA IRL UK BUL SVK ESP LUX

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[%]

An

nu

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[€]

Annual energy costs

Costs_origin Costs_new Cost savings


Audit Summary (5)

-

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

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[M

Wh

]

Chosen measures

Process Optimisation Heat recovery

Solar Thermal CHP

Boiler efficiency

22


Audits Summary (6)

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

-

20.000

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100.000

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[%]

CO

2 e

mis

sio

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[t/a

]

CO2 emissions

CO2 emissions origin CO2 emissions new CO2 savings


Audit Summary (7)

AUT

11%

GER

15%

FRA

8%

ITA

6%IRL

3%UK

16%

BUL

6%

SVK

2%

ESP

32%

LUX

1%

Investment costs

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EINSTEIN

�EINSTEIN is a free open source software based on a GPL Lizenz:

•www.sourceforge.net/projects/einstein

�EINSTEIN is independent from the operating system

•Using Linux, Unix, Windows..

Source: http://solarenergie-investment.de/Dachborse.htm


SOLARFOODS

� CO2-neutrale Energiebereitstellung in der Lebensmittelindustrie der Gegenwart

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Einleitung

� Thermischer Energieverbrauch der Tabak- und Lebensmittelindustrie (NACE 15,16)

� 1995: 20.000 TJ

� 2007: 26.000 TJ

� Anstieg um 30%

� In der Lebensmittelindustrie wird thermische Energie überwiegend im Temperaturbereich zwischen 30 und 150 °C benötigt

� Diese Temperaturen können mit solarthermischen Anlagen klimaneutral bereitgestellt werden

� Anstoß zum Projekt „Solarthermie-Branchenkonzepte für die Lebensmittelindustrie“ (Solar Foods)


Erkennbare Tendenzen aus den Fallstudien

� Abhängig vom Subsektor konnten unterschiedliche Solarintegration-Konzepte bzw. Potentiale identifiziert werden

� Solarthermie als Prozesswärme

� Solarthermie für neue Prozesstechnologien/PI

� Solarthermie für Brauch- und Reinigungswasser

� Einbindung anderer Erneuerbarer

� Aufgrund teils großer Mengen biogener Abfälle � Biogas

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Solarintegration – Konzept 1

� Solarthermie als Prozesswärme

� Wärmebedarf zw. 30°C und 150°C→ Pasteurisation, Kochen etc.

� Konstante Lastprofile

� Implementierung von Speichern

� Hoher solarer Deckungsgrad und ökonomische Implementation→ Molkereien→ Fleischverarbeitende Industrie→ Früchte- und Gemüse-verarbeitende Industrie mit kontinuierlichen Lastprofilen



� Solarthermie für neueProzesstechnologien/PI

� Basierend auf einer Technologieanalyse wurde eine Veränderung vorgeschlagen

• Veränderung der Prozesstemperatur

• Änderung Batch Prozesse zu kontinuierlichen Prozessen

� Bereitschaft der Firmen

� Alle Sub-Branchen

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� Solarthermie für Brauchwasser

� Großer Bedarf an Brauchwasser

� Teilweise mit Kaltwasser und eine Veränderung ist nötig wegen Hygienevorschriften

� Nach der Integration von vorhandener Abwärme wurde immer noch großes Potential für die Integration von Solarwärme entdeckt

� Alle Sub-Branchen


Solarintegration

� Solarthermie vs. Abwärme

� Priorität vor Integration von Solarthermie oder anderen Erneuerbaren hat die Nutzung von Abwärme

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Fallbeispiel Schlächterei (1)

� Prozessoptimierung

� Reduktion Heizbedarf und Wärmeverluste Prozesse

� Wärmerückgewinnung

� Abgas � Heizung Anlieferungshalle u. Nacherwärmung Heizwasser

� Abwasser � Nacherwärmung Warmwasser

� Amortisation < 1 Jahr

� Solarintegration

� Einbindung in Nacherwärmung Reinigungswasser

� Andere Erneuerbare

� Biogaserzeugung aus Abwasser


Fallbeispiel Schlächterei (2)

- 25%- 36%

- 60 bis -78%

- 44%

28


Solarintegration - Beispiele

� Fleischverarbeitende Industrie und Schlächtereien

� Nacherwärmung des Reinigungswassers in der Produktion

� Früchte- und gemüseverarbeitende Industrie

� Versorgung des Pasteurs

� Vorwärmung des Frischwassers

� Nacherwärmung des Reinigungswassers in der Produktion und Vorwärmung der Container CIP

� Hersteller von Back- und Dauerbackwaren


� Milchverarbeitende Industrie

� Entfettung der Molke

� Vorwärmung des Frischwassers



Einsparpotentiale in Subbranchen der LMI

identifizierter Einsparungsbereich

29


Anteil Solarenergie am betrachtetenProzess der einzelnen Subsektoren


Vergleich Energiepreise und Zusammenhang Kollektorfläche

30


Conclusio

� Das Potential für die Nutzung von Solarthermie in Subbranchen der Lebensmittelindustrie wurde als sehr hoch identifiziert

� Der Großteil des Wärmebedarfes liegt zwischen 30°C and 120°C

� Schwierigkeiten bei der Umsetzung

� Prozesswärmeversorgung mit Dampf / elektrisch

� Bei Abwärmenutzung oder Solarintegration – Umstellung auf Heißwasserversorgung erforderlich

� Veränderung der Technologie oft schwierig aufgrund hoher Investitionskosten für Umbauarbeiten� vor allem für kleine Firmen


Conclusio

� Solarthermie vs. Abwärme

� Große Mengen an Abwärme von Kühl- und Tiefkühlräumen vorhanden

� Abwärme kann perfekt mit Reinigungsprozessen kombiniert werden (wenn noch nicht vorhanden)

� In Firmen mit geringem thermischen Energiebedarf (hauptsächlich Reinigung) kann ein großer Teil dieser Energie durch Abwärmenutzung bereitgestellt werden

� Früchte- und Gemüseverarbeitende Industrie und Fleischverarbeitende Industrie

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Projektpartner

Das Projekt ist co-finanziert durch den „Klima- und Energiefonds“ im Rahmen des Programmes „NEUE ENERGIEN 2020“


Bettina MusterAEE – Institut für Nachhaltige TechnologienA-8200 Gleisdorf, Feldgasse 19AUSTRIA


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