SPIRIT - Implementering af bæredygtige teknologier til opgradering af varme i industrien
Design af nye højtemperaturvarmepumper til procesindustri. Højtemperaturvarmepumper er en nøgleteknologi i elektrificeringen af procesindustrien samt i indsatsen for at reducere CO2-udledningen fra industriens procesvarme frem mod 2030. Lige nu deltager Teknologisk Institut i et internationalt projekt – SPIRIT – der netop handler om at demonstrere højtemperaturvarmepumper til procesvarmelevering ved temperaturer op til 160 °C.
Formålet med SPIRIT-projektet er at demonstrere stabil og robust drift af tre industrielle varmepumper, som integreres i operationelle produktionsfaciliteter hos henholdsvis en belgisk sukkerfabrikant, et norsk rejeforarbejdningsanlæg og en tjekkisk papirfabrik. Tre kendte teknologiudbydere (GEA, Mayekawa og Spilling) vil designe og konstruere de industrielle varmepumper, som skal anvende spildvarme, og opgradere denne spildvarme til forsyning ved temperaturer på 139 °C, 143 °C og 157 °C. Demonstrationen vil øge den tekniske viden om og give retningslinjer for varmepumpeintegration i industrien, og samtidig skal det påvises, at industrielle varmepumper kan integreres i eksisterende processer uden at forstyrre produktionsprocessen.
Potentialet er stort i de udvalgte sektorer. Papirindustrien og fødevare- og drikkevareindustrien udgør tilsammen 63 % af det potentielle marked for levering af procesvarme. Forventningen er, at demonstration af teknologien med disse temperaturer vil bane vejen for yderligere udvikling med henblik på fremover at opnå endnu højere temperaturer og dermed udbrede anvendelsen af teknologien i industrien endnu mere.
Forbedret teknisk og økonomisk ydeevne
I projektet skal der ligeledes arbejdes på at forbedre den tekniske ydeevne. Det skal bl.a. opnås ved at reducere effektivitetstab og ved at udvide driftsområdet for kompressorer, reducere varmetab fra oliekøling og ved at anvende zeotropiske kølemiddelblandinger.
Den økonomiske præstation forbedres ved at sænke både kapitaludgifter og driftsomkostninger. Kapitaludgifter sænkes bl.a. ved at anvende standardkomponenter i varmepumpen, og driftsudgifter reduceres ved at øge den tekniske ydeevne og udvikle kompressordesigns, der kræver mindre vedligeholdelse.
Markant reduktion af energiforbrug
Projektet sigter efter at have en vedvarende drift på mellem 2000 og 4000 timer om året for hvert demonstrationssystem. Dette vil demonstrere, at varmepumpeteknologi er en robust og pålidelig teknologi. Samtidig er der en forventning om, at der som minimum vil opnås en reduktion i energiforbruget på 30 % - og som følge heraf en tilsvarende reduktion i energiomkostninger og CO2-emissioner.
Effekten af industrielle varmepumper skal maksimeres
I SPIRIT skal der udvikles strategier, som sikrer, at effekten af industrielle varmepumper bliver så stor som muligt. Aktiviteterne indebærer en omfattende markedsvurdering – herunder spin-off til andre sektorer (f.eks. fjernvarme) og fordele i form af energi- og CO2-reduktioner. Der vil blive analyseret business cases for flere sektorer, og mulige politiske, lovgivningsmæssige og andre ikke-tekniske barrierer, der forhindrer udbredelsen af varmepumpeteknologier, vil blive analyseret med anbefalinger til at overvinde disse barrierer. Endelig skal der udvikles et webbaseret værktøj, der giver slutbrugere mulighed for at vurdere fordelene ved industrielle varmepumper.
Demonstration på tre sites
I projektet skal der demonstreres tre teknologier på tre forskellige demonstrationssteder. De tre anlæg bliver demonstreret i relevante kapaciteter for repræsentative anvendelser for at understrege deres brede anvendelighed og modenhed mht. elektrificering af hele industrier:
Tiense Suikers primære sukkerproduktionsproces er fossilt brændstofdrevet med kedler. Brændslet til kedlerne er primært naturgas med en mindre mængde egenproduceret biogas (ca. 4 %). En brøkdel af det brændstof, der i øjeblikket bruges, er kul, som snart vil blive udfaset og erstattet med naturgas. Mængden af dannet CO2 baseret på den nuværende energiforsyning er omkring 100 kton/år.
Tiense Suikers langsigtede ambition er at elektrificere sin sukkerraffinaderiproces fuldt ud. Det første skridt til at nå hertil er at deltage i SPIRIT-projektet og integrere en højtemperaturvarmepumpe i deres produktionsproces. Teknologileverandøren er GEA, som er en erfaren tysk producent af kundetilpassede varmepumper til en bred vifte af temperaturer og kapaciteter.
Hos Tiense Suiker skal der demonstreres et GEA-varmepumpesystem med en skruekompressor til at generere damp på omkring 139 °C ved en kapacitet på 4 MW. Dette skal erstatte den damp, som normalvis produceres af kedler baseret på fossilt brændsel. Tiense Suikers produktionsprocesser vil således blive delvist elektrificeret, og det er forventningen, at den demonstrerede teknologi har potentiale til med tiden at elektrificere hele procesvarmebehovet hos Tiense Suiker.
Stella Polaris sigter mod en klimaneutral produktion og har derfor tilsluttet sig SPIRIT-projektet. Målet er at demonstrere en højtemperaturvarmepumpe baseret på en skruekompressor med en kulbrinte som arbejdsvæske.
Varmepumpen vil levere damptemperaturer på omkring 143 °C med en kapacitet på 1,2 MW og erstatte den damp, der produceres fra den fossile brændstofbaserede kedel, og dermed elektrificere produktionsprocesserne til fremstilling af rejer i Stella Polaris. Teknologileverandøren til denne demonstrationskasse er Mayekawa, som er en erfaren producent af tilpassede varmepumper med en bred vifte af temperaturer og kapaciteter.
Damp er drivkraften for enhver tørringsproces i papirsektoren og produceres hos Smurfit Kappa ved hjælp af en naturgaskedel. Produktionen af damp sker ved hjælp af en kedel, der anvender naturgas (95 %) og biogas (5 %). Det årlige brændstofforbrug for en sådan installation er i størrelsesordenen 353 TJ, hvilket svarer til næsten 19 kton CO2 om året.
Smurfit Kappas ambition er at reducere afhængigheden af fossile brændstoffer og reducere deres CO2-udledning. Integrationen af industrielle varmepumper og deltagelse i SPIRIT-projektet er derfor helt i tråd med ambitionerne.
Teknologileverandøren, der er valgt til denne demonstrationssag, er Spilling, som har en portefølje af dampkompressionssystemer, der er i stand til at øge trykket af ubrugelig lavtryksdamp eller spild-/overskydende damp fra produktionen. Spillings stempelkompressor vil producere højtryksdamp (6 bar), der leverer 0,7 MW varme ved en temperatur på 157 °C til processen.
Om projektet
I projektet, der løber over tre et halvt år (start september 2022), samarbejder Teknologisk Institut med en lang række partnere. Projektgruppen er stærk og består af teknologileverandører, slutbrugere, forsknings- og udviklingsorganisationer samt erhvervs- og markedseksperter:
- TNO (koordinator), Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, European Heat Pump Association, Mayekawa, SINCLOC, EURAC, Euroheat and Power, Danmarks Tekniske Universitet, TVP Solar, Tiense Suiker, TLK Energy, GEA Refrigeration Germany, Spilling Technologies, Smurfit Kappa Paper Services, Smurfit Kappa Czech og Stella Polaris.
Projektet er støttet af Horizon Europe - EU's rammeprogram for forskning og innovation under tilskudsaftale nr. 101069672 (SPIRIT).
Foto: Tiense Suiker.