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Prof. Dr. Beat WelligLeiter CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik

EnAW-Fachtagung, BERNEXPO, Bern, 6. November 2014

Kompetenzzentrum (SCCER) Energieeffizienz: Chancen und Nutzen für Industrieunternehmen

- Professor für Thermodynamik, Verfahrens- und Umwelttechnik an der Hochschule Luzern

- Leiter Kompetenzzentrum (CC)Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik

- Forschungsschwerpunkte:- Prozessintegration und Pinch-Analysen

(BFE-Stützpunkt PinCH)- Thermische Trennverfahren und Umwelttechnik - Wärmepumpen- und Kältesysteme

Kontakt:Hochschule Luzern - Technik & ArchitekturCC Thermische Energiesysteme & VerfahrenstechnikProf. Dr. Beat WelligTechnikumstrasse 216048 HorwT 041 349 32 57M 079 653 89 02beat.wellig@hslu.ch

Beat Wellig

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Gliederung

Überblick «Swiss Competence Centers for Energy Research» SCCER

SCCER-EIP Efficiency of Industrial Processes:Ziele und Aktivitäten

Chancen und Nutzen für Industrieunternehmenanhand eines Projektbeispiels

Kontext

Zwei zentrale Herausforderungen bezüglich Energie:

Atom-Ausstieg umsetzen und CO2 Ziele erreichen.

Anteil Erneuerbare Energien und Energieeffizienz markant steigern

(Energiestrategie 2050)

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Aktionsplan «Koordinierte Energie-forschung Schweiz»

Ausgangspunkt:

Neue Energiepolitik des Bundes

«Der Bundesrat will Forschung und Innovation im Energiebereich mit zusätzlichen Mitteln fördern, um die Umsetzung der neuen Energiepolitik zu unterstützen. Die zusätzlichen Fördermittel im Gesamtumfang von 202 Millionen Franken für die Periode 2013 - 2016 sollen dem Parlament noch in diesem Herbst im Rahmen einer Sonderbotschaft zum „Aktionsplan Koordinierte Energieforschung Schweiz“ beantragt werden. » (Bern, 1.6.2012)

u.a. Schaffung von 7 Forschungs-Kompetenzzentren:

Swiss Competence Centers for Energy Research (SCCER)

InnovationRoadmap

Governance• Organisation• Kompetenzen• Funktionen• …

Nachwuchs-förderung

Nachwuchs-förderung

VerwaltungVerwaltung RegionRegion

InternationaleForschung andere

SCCER

LeadingHouseLeadingHouse

ETH-Institute ETH-Institute ETH Institute ETH Institute FH-Institute FH-Institute ETH-Institute ETH-Institute Uni Institute Uni Institute

ETH-Institute ETH-Institute Kooperations-partner

Kooperations-partner

ETH-Institute ETH-Institute Kooperations-partner (Industrie)

Kooperations-partner (Industrie)

FH Institute FH Institute

SCCER-Board

SCCER – nationaler Verbund von Hochschulinstituten und Kooperationspartnern aus Wirtschaft und Verwaltung

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Aktionsfeld SCCER1 Effizienz: FEEBD & EIP

2 Netze und ihre Komponenten,Energiesysteme

3 Speicherung

4 Strombereitstellung

5 Ökonomie, Umwelt, Recht, Verhalten

6 Effiziente Konzepte, Prozesse und Komponenten in der Mobilität

7 Biomasse

7 neue Swiss Competence Centers -72 Mio. CHF für 3 Jahre

Aktionsfeld Name des SCCER Beteiligte Institutionen Förderbeitrag bis 2016

1 Effizienz FEEB&D - Future Energy Efficient Buildings and Districts

EIP - Efficiency of Industrial Processes

Empa, HSLU, ETHZ, EPFL, UniGE

ETHZ, EPFL, HSLU, NTB, HSR, UniGE

7.3 Mio CHF

2.7 Mio CHF2 Netze und ihre Komponen-

ten, EnergiesystemeFURIES - Future Swiss Electrical Infrastructure

EPFL, ETHZ, USI, HES-SO, SUPSI, ZHAW, FHNW, BFH, HSR, HSLU, UniBas*, CSEM*, EIA FR

10 Mio CHF

3 Speicherung Heat & Electricity Storage: Materials, Systems and Modelling

PSI, EMPA, EPFL, ETHZ, HSR, UniFR, HSLU, BFH, UniGe, UNIBE, FHNW, SUPSI, ZHAW*, HES-SO*, Heig-VD*, NTB*

11 Mio CHF

4 Strombereitstellung SoE - Supply of electricity ETHZ, EPFL, UNIBE, UNIL, UNIGE, UNINE, USI, PSI, WSL, EAWAG, HES-SO, HSLU, HSR, UniBas*

12 Mio CHF

5 Ökonomie, Umwelt, Recht, Verhalten

CREST - Competence Center for Research in Energy, Society and Transition

Uni Basel, ZHAW, HSG, ETHZ, UniGe, UniNE, UniLU, EPFL

11 Mio CHF

6 Effiziente Konzepte, Prozesse und Komponenten in der Mobilität

Efficient Technologies and Systems for Mobility

ETHZ, BFH, EMPA, HSLU, NTB, PSI, ZHAW, EPFL, BFH, SUPSI, CSEM*

10 Mio CHF

7 Biomasse BIOSWEET - BIOmass for SWissEnErgy fuTure

PSI, BFH, FHNW, SUPSI, ZHAW, ETHZ, HES-SO, EPFL, WSL, EMPA*, HSR*

8 Mio CHF

Alle 7 Aktionsfelder besetzt

Kapazitätsaufbau total aller SCCER (bis 2016): rund 550 Vollzeit-Äquivalente

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Gliederung

Überblick «Swiss Competence Centers for Energy Research» SCCER

SCCER-EIP Efficiency of Industrial Processes:Ziele und Aktivitäten

Chancen und Nutzen für Industrieunternehmenanhand eines Projektbeispiels

Energieeinsatz in der Schweizer Industrie:Einige Fakten Industrie: ca. 19% des gesamthaften schweizerischen Energiebedarfs,

mehr als die Hälfte davon ist Prozesswärme BFE: Energieeinsparpotenzial von 20-40% bei vielen Unternehmen Massnahmen zur Effizienzsteigerung sind in der Industrie kosteneffektiver

als z.B. im Gebäudebereich

Quelle:  Analyse des schweizerischen Energieverbrauchs 2000‐2011 nach Verwendungszwecken, Bundesamt für Energie BFE, 2012

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Efficiency of Industrial Processes - EIP

Kompetenzzentrum (SCCER)Energieeffizienz

Ziele des SCCER Efficiency of Industrial Processes (SCCER EIP): Entwicklung von Konzepten, Prozessen und Innovationen

zur Reduktion des Energiebedarfs der Schweizer Industrie Stärkung der F&E innerhalb eines nationalen, interdisziplinären

Kompetenzzentrums

Future Energy Efficient Buildings and Districts - FEEB&D

73% 27%

SCCER EIPStruktur

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SCCER EIPAkademische Partner

ETHZ (ETH Zürich, Leading House) Transport Processes and Reactions Laboratory Separation Processes Laboratory Laboratory of Thermodynamics in Emerging Technologies

EPFL (ETH Lausanne) Industrial Process and Energy Systems Engineering Laboratory for Applied Mechanical Design

HSLU (Hochschule Luzern) CC Thermische Energiesysteme & Verfahrenstechnik

FHO (Fachhochschule Ostschweiz) NTB Institut für Energiesysteme HSR Institut für Solartechnik

UNIGE (Universität Genf) Institute of Environmental Sciences

SCCER EIPIndustrie-Partner (Cooperation Partners)Einige unserer Partner:

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SCCER EIPIndustrie-Partner (Cooperation Partners)

ABB Schweiz AG Airlight Energy Manufacturing SA Alstom (Schweiz) AG Casale Holding SA Celeroton AG EMS Chemie AG Energie-Agentur der Wirtschaft Energieagentur St. Gallen GmbH Flumroc AG

Holcim Technology Ltd INEOS Technologies AG Lenum AG Lonza AG Maxon Motor AG Novartis Pharma AG Scheco AG Service Industriels de Genève SusChem Switzerland Zero-C SA

19 Kooperationspartner (Stand Nov. 2014)

SCCER EIPWP1 Monitoring und Umsetzung

Team: B. Wellig, S. Sulzer (HSLU), M.K. Patel (UNI-GE)

Ziel: Analyse des Energieverbrauchs und von Möglichkeiten zur

Energieeinsparung sowie die Entwicklung von Tools und Strategien für

eine breite Umsetzung von Energieeffizienz-Massnahmen.

Observatorium der Energienutzung in der Industrie

Beurteilung der potenziellen Energieeinsparungen

Beschleunigung des Technologietransfers und der Umsetzung

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SCCER EIPWP1 Monitoring und Umsetzung

Energie-Manager BetriebsleiterinIngenieur Produktionsleiter

Wie stelle ich sicher, gesetzliche Regelungen einzuhalten und gleich-zeitig von Subventionenzu profitieren?

Welche Analyse der Energiesparmass-nahmen sind für meinen Prozess am sinnvollsten?

Wo kann ich Referenz-und Vergleichsdaten zu Energiesparmass-nahmen für unseren Industriesektor finden?

Welche Erfolgs-faktoren helfen, EMS und Energiesparmass-nahmen zu implemen-tieren?

WP1.1 Observatory of industrial energy utilization and management

WP1.2 Mapping of opportunities and assessment of potential energy savings

WP1.3 Facilitating technology transfer and implementation

SCCER EIPWP1 Monitoring und Umsetzung

Bottom-up Modelle von Energieeffizienz-Massnahmen

Umfang der Analyse Ausgewählte Industriesektoren Analyse heutige und zukünftige

Situation (Prozesswärme, Strom) Energieeffizienz-Massnahmen

(branchenübergreifend, prozess-spezifisch)

Ergebnisse Datenbanken Simulationsmodelle Szenarioanalysen Kostenkurven

(z.B. CO2-Vermeidung) Analyse der Randbedingungen

(Politik, Incentives usw.)

Maximum 

theoretical potential 

Economic 

potential Market 

potential (today)

Payback period 

< n yrs

Energy saving 

Policy 

potential 

?

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SCCER EIPWP2 Energie-Effizienz (direkt)

Team: S. Bertsch (NTB), J. A. Schiffmann (EPFL), M. Rommel (HSR)

Ziel: Entwicklung von Systemlösungen und Technologien zur Erhöhung

der Energieeffizienz industrieller Prozesse.

Effiziente Dampferzeugung mit erneuerbaren Energien

Kombinierte Heizung und Kühlung

Abwärmenutzung

„Peak Shaving“ mittels thermischer Energiespeicher

Abwasserrückgewinnung

SCCER EIPWP2 Energie-Effizienz (direkt)

Versuchsanlage ORC/Wärmepumpe (EPFL)

Solarkollektoren für Prozesswärme (HSR)

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SCCER EIPWP2 Energie-Effizienz (direkt)

Wärmepumpe für mehrere Wärmequellen mit verschiede-nen Temperaturniveaus (NTB)

Effizienzsteigerungen von bis zu 40% möglich

SCCER EIPWP3 Prozess-Effizienz (indirekt)

Team: M. Mazzotti, Ph. Rudolf von Rohr, D. Poulikakos (ETHZ)

Ziel: Entwicklung von innovativen Prozess-, Reaktions- und Trenn-

technologien zur Verbesserung der Effizienz von Produktionsanlagen,

einschliesslich der Wiederverwendung von Wärme aus Rechenzentren

Neuartige Ansätze für kontinuierliche Herstellungsverfahren

Neue Verfahren und Materialien für effiziente Trennverfahren

Ganzheitliche Prozesse zur Energiereduktion und Abwärmenutzung

in Rechenzentren

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SCCER EIPWP3 Prozess-Effizienz (indirekt)

z.B. Abwärmenutzung aus RZ durch Hochtemperatur-Kühlung

2% des weltweiten elektrischen Stromverbrauchs werden von Serverkühlungen verursacht

Entwicklung von optimalen Systemen für die Kühlung und Abwärmenutzung

SCCER EIPWP3 Prozess-Effizienz (indirekt)

z.B. kontinuierliche Produktion von Chemikalien

Poröse Strukturen:

Batch-Reaktor:

ProdukteEdukte

[m/s]

Umwandlung

Geschwindigkeitsfeld: VerbesserteTransportprozesse

Bessere Vermischung höhere Ausbeute

Höhere Prozesskontrolle Erhöhte Sicherheit Reduzierter Energiebedarf

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SCCER EIPWP4 Anlagenweite Optimierung

Team: F. Maréchal (EPFL), B. Wellig (HSLU)

Ziel: Entwicklung Methoden der Energie-Optimierung für die effiziente

Nutzung, Wiederverwendung und Umwandlung von Energie in

industriellen Prozessen und grösseren Systemen.

Neue Methoden der Prozessintegration

Wärmerückgewinnung in Batch-Prozessen (Pinch-Analyse)

Grossmassstäbliche Prozessintegration

Integration erneuerbarer Energien in industrielle Prozesse

SCCER EIPWP4 Anlagenweite Optimierung

Heat recoveryHeat recovery Heat pumpingHeat pumping

Combined heat and powerCombined heat and power

Process units integrationProcess units integration Heat exchanger networkHeat exchanger network

Site scale integrationSite scale integrationProcess operationProcess operation

Dividing wall columnSide ReboilerReflux optimisationPressure adaptation

Profitability analysisProfitability analysisIPESE

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SCCER EIPWP4 Anlagenweite Optimierung

Energie-Optimierung von Batch-Prozessen: z.B. Chemie-Anlage

Gliederung

Überblick «Swiss Competence Centers for Energy Research» SCCER

SCCER-EIP Efficiency of Industrial Processes:Ziele und Aktivitäten

Chancen und Nutzen für Industrieunternehmenanhand eines Projektbeispiels

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Fallbeispiel Optimierung Bierbrauerei

Wir hören oft: «Die Pinch-Analyse ist nur für kontinuierliche Prozesse geeignet.»

Wir sagen dann:

«Nein. Die Pinch-Analyse ist ganz besonders bei Batch-Prozessen sinnvoll.»

Fallbeispiel Optimierung Bierbrauerei:Der Faktor «Zeit»

Malz & Wasser mischen

Hopfen

35

Reaktion

60 60

Vorwärmen

120

Kochen

70

CIP

CIP

Reaktion

30

CIP

15

85

t

Maischbottich

Würzepfanne

Whirlpool

Gärtank

Reifetank

170 min

280 min

Batch Processing Duration

490 min

145 min

5 Tage 5 Tage 5 Tage

Whirlpool

t/min

Maischbottich

Würzepfanne

3-4 Wochen 3-4 Wochen

15

15

15

170 min

280 min

145 min

170 min

280 min

170 min

280 min

145 min

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Fallbeispiel Optimierung Bierbrauerei:Ist-Zustand der Anlage

Eckdaten:

• 4 Batches/Tag, 5 Tage/Woche, 52 Wochen/Jahr

• 265 Hektoliter Bier/Batch

• 275’600 Hektoliter Bier/Jahr

Fallbeispiel Optimierung Bierbrauerei

Demonstration in

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Fallbeispiel Optimierung Bierbrauerei:Optimale Speicher-Integration

Wirtschaftliche optimale WRG und Speicherintegration(Methode: Indirect Source Sink Profile ISSP)

Neu nur noch ein Speicher (statt zwei wie im Ist-Zustand)

Speicherladung durch heisse Ströme

Speicherentladung durch kalte Ströme

Fallbeispiel Optimierung Bierbrauerei:Optimierte Anlage

Schichtspeicher (22m3) zur indirekten Wärmeintegration(nur noch ein Speicher!)

Speicherladung durch Dampf-kondensation und Unterkühlung

Speicherladung durch Würzekühlung

Speicherentladung durch Brauwasservorwärmung

Speicherentladung durch Vorwärmung Fassreinigung

Speicherentladung durch CIP-Vorwärmung

Reduktion Energiebedarf: 17%Reduktion Kosten/Batch: 13%

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Was ist der Nutzen vonPinch-Analysen?

www.pinch-analyse.ch

Ganzheitliche Optimierung von Energieeffizienz Anlagendesign, Energieversorgung Investitions- und Betriebskosten

Markante Senkung des Energiebedarfs (bis zu 40%)

Massnahmenkatalog mit Kosten/Nutzen-Betrachtung

Strategische Planung der Umsetzung («Man verbaut sich nichts»)

Für kontinuierliche und Batch Prozesse

Für neue Anlagen («first time right») und Retrofit

Pinch-Offensive Bundesamt für Energie

Das BFE übernimmt 35–60% der externen Ingenieurkosten!

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Thema Pinch-Analyse bei der EnAW

Die Fachleute der EnAW gebenIhnen gerne Auskunft!

SCCER EIPChancen und Nutzen für die Industrie

Stärkung der F&E im Bereich «Energieeffizienz in der Industrie»

Koordination der Energieforschung zum Nutzen der Industrie

Lancierung von F&E- oder Pilot- und Demonstrations- (PuD) Projekte: KTI, BFE usw.

Zusammengefasst:

Das SCCER-EIP ist eine attraktive Plattform für die Schweizer Industrie. Nutzen Sie diese und

kommen Sie auf uns zu!

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!