Upgrading waste heat from rendering processes utilising steam generation heat pump : techno-economic-environmental analysis
Loiva, Timo (2024)
2024
Ympäristö- ja energiatekniikan DI-ohjelma - Programme in Environmental and Energy Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2024-02-14
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202401291907
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202401291907
Tiivistelmä
Industrial heating is a significant energy user globally, and a large share of process heating is provided by steam heating systems powered by fuel boilers. Nearly half of the industrial energy demand is lost as waste heat of different forms. Heat recovery and utilisation have potential to decrease the energy use and energy-related emissions significantly, but heat recovery potential is often limited by too low temperatures of waste heat, which makes it difficult to find a reasonable use for the waste heat.
High-temperature heat pumps (HTHPs) offer a solution for upgrading waste heat to utilisable temperature levels for industrial use. They can supply hot water, air, or steam by using moderate amounts of electricity to upgrade the temperature. Steam generation heat pumps (SGHPs) have high potential in process industry with heat demand at temperature band 100-200 °C. They can use waste heat at 50-100 °C for generating steam up to 200 °C. The lower the temperature lift, the better the efficiency.
Rendering industry, which takes care of circular economy of animal by-products, is a good example of a field that could take advantage of SGHPs. This study investigates SGHP integration into a low-temperature wet rendering (LTWR) plant that is planned to be built. Providing significant amount of waste heat at close to 100 °C in form of process vapour from drying processes, relatively low temperature lift at the SGHP is required for generation of 2 barg (134 °C) steam, which can be utilised by most equipment in the process.
Three commercial SGHP solutions were identified and compared in techno-economic-environmental analysis (TEEA) to find out the most beneficial solution for case plant. Solution S1 based on MVR technology showed the best overall results in technical, economic, and environmental performance, however, it had the highest investment costs. Results of solutions S2 and S3 based on CCHP technology were close to each other and offered a good option to S1 with lower investment costs. Total price for steam was estimated to be in range of 19-24 €/MWh, providing significant savings in energy costs compared to fuel boilers and electric boil-ers. Payback period for all the solutions were relatively long, around 8 years at rate of 5.5 %, but economic benefits after payment period were estimated to be significant. Main parameters identified to affect the feasibility of SGHPs were COP, electricity price, boiler steam price, waste heat load, and carbon price, if the plant is subject to emissions trading.
Integration of SGHP into rendering plant would also have a strong positive impact on environmental performance. The CO2 emissions of steam produced by SGHP were about 98 % lower than steam produced by boiler using peat as a fuel, providing a carbon handprint of around 500 kg CO2e/MWh steam. When it comes to energy efficiency of the case plant, a saving of 118-135 kWh per ton raw material could be achieved with SGHP, resulting in specific energy consumption of around 250-270 kWh per ton raw material.
This study shows that SGHP integrations have potential to decrease energy related costs and emissions significantly with reasonable payback periods at rendering plants and similar industrial processes. The results suggest that SGHP technologies are becoming more widespread in industry in near future, as they can provide steam at lower cost than current steam generation methods such as fuel boilers and electric boilers. Teollisuuden lämmitys on maailmanlaajuisesti merkittävä energian kuluttaja, ja suuri osa prosessien lämmityksestä on toteutettu polttoainekattilaan perustuvalla höyryjärjestelmällä. Lähes puolet teollisuuden energiantarpeesta menetetään hukkalämpönä eri muodoissa. Lämmön talteenotolla ja hyödyntämisellä on potentiaalia vähentää energian kulutusta ja energiantuotan-toon liittyviä päästöjä merkittävästi, mutta hukkalämmön hyödyntämismahdollisuuksia rajoittaa usein hukkalämmön liian matala lämpötila, mikä vaikeuttaa järkevän käyttökohteen löytämistä hukkalämmölle.
Korkealämpötilalämpöpumput (HTHPs) tarjoavat ratkaisun hukkalämmön jalostamiseen teolliseen käyttöön sopiville lämpötilatasoille. Ne voivat tuottaa kuumaa vettä, ilmaa tai höyryä kuluttaen kohtuullisen määrän sähköä lämpötilatason nostamiseen. Höyrylämpöpumpuilla (SGHPs) on merkittävä potentiaali teollisuuden lämmitystarkoituksissa 100–200 °C lämpötila-alueella. Ne voivat hyödyntää 50–100 °C hukkalämpöä jopa 200 °C höyryn tuottamiseen. Mitä matalampi lämpötilan nosto on, sitä parempi on höyrylämpöpumpun tehokkuus.
Renderöinti, joka vastaa eläinperäisten sivutuotteiden kiertotaloudesta, on hyvä esimerkki teollisuudenalasta, joka voisi hyödyntää höyrylämpöpumpputekniikkaa. Tämä työ tutkii höyrylämpöpumpun integroimista suunnitteilla olevaan LTWR-tuotantolaitokseen. Laitoksella syntyy merkittävästi lähes 100 °C asteista prosessihönkää, mikä mahdollistaa 2 barg matalapainehöyryn tuottamisen höyrylämpöpumpulla kohtuullisella lämpötilan nostolla, tarjoten höyryä useimpiin laitoksen prosesseihin.
Kolme kaupallista höyrylämpöpumppuratkaisua tunnistettiin soveltuvaksi esimerkkilaitokselle, ja niitä vertailtiin teknistaloudellisessa ja ympäristöanalyysissa (TEEA) tarkoituksena löytää edukkain ratkaisu kyseiselle laitokselle. MVR tekniikkaan perustuva ratkaisu S1 osoitti kokonai-suudessaan parasta suorituskykyä teknisestä-, taloudellisesta- ja ympäristön näkökulmasta, mutta oli investointikustannuksiltaan kallein. CCHP tekniikkaan perustuvien ratkaisujen S2 ja S3 tulokset olivat lähellä toisiaan, ja tarjosivat hyvän vaihtoehdon ratkaisulle S1 pienemmillä investointikustannuksilla. Tuotetun höyryn kokonaishinta höyrylämpöpumpuilla asettui välille 19–24 €/MWh, mikä tarjoaa suuria kustannussäästöjä verrattuna muihin höyryntuotantotapoihin. Kaikkien ratkaisujen takaisinmaksuajat olivat noin 8 vuotta 5.5 % korolla laskettuna, mikä on kohtuullisen pitkä aika, mutta takaisinmaksun jälkeen saatavat taloudelliset hyödyt arvioitiin suuriksi. Tärkeimmiksi kannattavuuteen vaikuttaviksi tekijöiksi havaittiin COP, sähkön hinta, kattilahöyryn hinta, hukkalämmön saatavuus ja hiilidioksidin hinta, mikäli laitos on päästökaupan piirissä.
Höyrylämpöpumpun integroinnilla renderöintilaitokseen olisi myös suuret positiiviset vaikutukset ympäristön kannalta. Höyrylämpöpumpulla tuotetun höyryn päästöt olivat noin 98 % matalammat kuin turvetta käyttävällä kattilalla tuotetun höyryn päästöt, mikä tarkoittaa noin 500 kg CO2e/MWh hiilikädenjälkeä tuotetulle höyrylle. Esimerkkilaitoksen energiatehokkuudelle höyrylämpöpumppuratkaisut mahdollistaisivat 118–135 kWh energiansäästön per raaka-ainetonni, jolloin energian ominaiskulutus raaka-ainetonnia kohden olisi vain noin 250–270 kWh.
Tutkimus osoittaa, että höyrylämpöpumppuintegraatioilla on potentiaalia vähentää energiaan liittyviä kustannuksia ja päästöjä merkittävästi renderöintilaitoksilla ja muissa vastaavissa prosesseissa. Tulokset viittaavat siihen, että höyrylämpöpumpputeknologiat tulevat yleistymään teollisuuden parissa lähitulevaisuudessa, sillä niiden avulla voidaan tuottaa höyryä edullisemmin kuin nykyisillä höyryntuotantomenetelmillä, kuten polttoainekattiloilla ja sähkökattiloilla.
High-temperature heat pumps (HTHPs) offer a solution for upgrading waste heat to utilisable temperature levels for industrial use. They can supply hot water, air, or steam by using moderate amounts of electricity to upgrade the temperature. Steam generation heat pumps (SGHPs) have high potential in process industry with heat demand at temperature band 100-200 °C. They can use waste heat at 50-100 °C for generating steam up to 200 °C. The lower the temperature lift, the better the efficiency.
Rendering industry, which takes care of circular economy of animal by-products, is a good example of a field that could take advantage of SGHPs. This study investigates SGHP integration into a low-temperature wet rendering (LTWR) plant that is planned to be built. Providing significant amount of waste heat at close to 100 °C in form of process vapour from drying processes, relatively low temperature lift at the SGHP is required for generation of 2 barg (134 °C) steam, which can be utilised by most equipment in the process.
Three commercial SGHP solutions were identified and compared in techno-economic-environmental analysis (TEEA) to find out the most beneficial solution for case plant. Solution S1 based on MVR technology showed the best overall results in technical, economic, and environmental performance, however, it had the highest investment costs. Results of solutions S2 and S3 based on CCHP technology were close to each other and offered a good option to S1 with lower investment costs. Total price for steam was estimated to be in range of 19-24 €/MWh, providing significant savings in energy costs compared to fuel boilers and electric boil-ers. Payback period for all the solutions were relatively long, around 8 years at rate of 5.5 %, but economic benefits after payment period were estimated to be significant. Main parameters identified to affect the feasibility of SGHPs were COP, electricity price, boiler steam price, waste heat load, and carbon price, if the plant is subject to emissions trading.
Integration of SGHP into rendering plant would also have a strong positive impact on environmental performance. The CO2 emissions of steam produced by SGHP were about 98 % lower than steam produced by boiler using peat as a fuel, providing a carbon handprint of around 500 kg CO2e/MWh steam. When it comes to energy efficiency of the case plant, a saving of 118-135 kWh per ton raw material could be achieved with SGHP, resulting in specific energy consumption of around 250-270 kWh per ton raw material.
This study shows that SGHP integrations have potential to decrease energy related costs and emissions significantly with reasonable payback periods at rendering plants and similar industrial processes. The results suggest that SGHP technologies are becoming more widespread in industry in near future, as they can provide steam at lower cost than current steam generation methods such as fuel boilers and electric boilers.
Korkealämpötilalämpöpumput (HTHPs) tarjoavat ratkaisun hukkalämmön jalostamiseen teolliseen käyttöön sopiville lämpötilatasoille. Ne voivat tuottaa kuumaa vettä, ilmaa tai höyryä kuluttaen kohtuullisen määrän sähköä lämpötilatason nostamiseen. Höyrylämpöpumpuilla (SGHPs) on merkittävä potentiaali teollisuuden lämmitystarkoituksissa 100–200 °C lämpötila-alueella. Ne voivat hyödyntää 50–100 °C hukkalämpöä jopa 200 °C höyryn tuottamiseen. Mitä matalampi lämpötilan nosto on, sitä parempi on höyrylämpöpumpun tehokkuus.
Renderöinti, joka vastaa eläinperäisten sivutuotteiden kiertotaloudesta, on hyvä esimerkki teollisuudenalasta, joka voisi hyödyntää höyrylämpöpumpputekniikkaa. Tämä työ tutkii höyrylämpöpumpun integroimista suunnitteilla olevaan LTWR-tuotantolaitokseen. Laitoksella syntyy merkittävästi lähes 100 °C asteista prosessihönkää, mikä mahdollistaa 2 barg matalapainehöyryn tuottamisen höyrylämpöpumpulla kohtuullisella lämpötilan nostolla, tarjoten höyryä useimpiin laitoksen prosesseihin.
Kolme kaupallista höyrylämpöpumppuratkaisua tunnistettiin soveltuvaksi esimerkkilaitokselle, ja niitä vertailtiin teknistaloudellisessa ja ympäristöanalyysissa (TEEA) tarkoituksena löytää edukkain ratkaisu kyseiselle laitokselle. MVR tekniikkaan perustuva ratkaisu S1 osoitti kokonai-suudessaan parasta suorituskykyä teknisestä-, taloudellisesta- ja ympäristön näkökulmasta, mutta oli investointikustannuksiltaan kallein. CCHP tekniikkaan perustuvien ratkaisujen S2 ja S3 tulokset olivat lähellä toisiaan, ja tarjosivat hyvän vaihtoehdon ratkaisulle S1 pienemmillä investointikustannuksilla. Tuotetun höyryn kokonaishinta höyrylämpöpumpuilla asettui välille 19–24 €/MWh, mikä tarjoaa suuria kustannussäästöjä verrattuna muihin höyryntuotantotapoihin. Kaikkien ratkaisujen takaisinmaksuajat olivat noin 8 vuotta 5.5 % korolla laskettuna, mikä on kohtuullisen pitkä aika, mutta takaisinmaksun jälkeen saatavat taloudelliset hyödyt arvioitiin suuriksi. Tärkeimmiksi kannattavuuteen vaikuttaviksi tekijöiksi havaittiin COP, sähkön hinta, kattilahöyryn hinta, hukkalämmön saatavuus ja hiilidioksidin hinta, mikäli laitos on päästökaupan piirissä.
Höyrylämpöpumpun integroinnilla renderöintilaitokseen olisi myös suuret positiiviset vaikutukset ympäristön kannalta. Höyrylämpöpumpulla tuotetun höyryn päästöt olivat noin 98 % matalammat kuin turvetta käyttävällä kattilalla tuotetun höyryn päästöt, mikä tarkoittaa noin 500 kg CO2e/MWh hiilikädenjälkeä tuotetulle höyrylle. Esimerkkilaitoksen energiatehokkuudelle höyrylämpöpumppuratkaisut mahdollistaisivat 118–135 kWh energiansäästön per raaka-ainetonni, jolloin energian ominaiskulutus raaka-ainetonnia kohden olisi vain noin 250–270 kWh.
Tutkimus osoittaa, että höyrylämpöpumppuintegraatioilla on potentiaalia vähentää energiaan liittyviä kustannuksia ja päästöjä merkittävästi renderöintilaitoksilla ja muissa vastaavissa prosesseissa. Tulokset viittaavat siihen, että höyrylämpöpumpputeknologiat tulevat yleistymään teollisuuden parissa lähitulevaisuudessa, sillä niiden avulla voidaan tuottaa höyryä edullisemmin kuin nykyisillä höyryntuotantomenetelmillä, kuten polttoainekattiloilla ja sähkökattiloilla.