I industrielle prosesser som omsetter mye energi slippes store mengder ut som overskuddsvarme. Energieffektiviseringstiltak kan redusere dette noe, men mye av det er helt uunngåelig. Derfor jobber vi med å både fange denne varmen og koble den med fornuftig bruksområder. Slik kan noen av de største kraftforbrukerne i samfunnet unngå å fyre for kråka.

Norsk ferrolegeringsindustri, som Elkem og Eramet, har lenge brukt deler av overskuddsvarmen sin til å produsere strøm og levere fjernvarme til sine lokalsamfunn. Potensialet for gjenvinning og nyttig-gjøring av mer overskuddsvarme fremstår likevel stort. Sammen med ferrolegeringsindustrien har vi i SINTEF gjennom flere år forsket på hvordan dette potensialet kan utløses i praksis gjennom (1) kartlegging og karakterisering av kjente og nye varmekilder, (2) identifisering av lovende bruksområder for varmen og (3) utvikling av teknologi og smarte løsninger for varmefangst.

Så hvor mye mer varme kan norske smelteverk egentlig gjenvinne? I ADVENCCS kartla vi energistrømmene ved to representative ferrolegeringsverk for å finne svaret. Selv om verkene produserer store mengder overskuddsvarme, er mye av denne varmen allerede utnyttet, vanskelig å få tak i, eller kun praktisk tilgjengelig ved lav temperatur. Likevel finnes det fortsatt et uutnyttet potensial. Analysene våre peker på flere muligheter for å øke energigjenvinningen, samt forskningsbehov for å kunne utnytte enda mer av denne verdifulle energien i fremtiden.

Ikke all varme er like enkel å utnytte

Temperatur på overskuddsvarmen er den viktigste faktoren for gjenbruk – den må være høyere enn den tiltenkte bruken, siden noe temperatur alltid går tapt når varme overføres. Derfor er varme med høyere temperatur mer verdifull – og temperaturnivået det viktigste å kjenne til når man vurderer varmegjenvinning.

Selv om varmen har høy temperatur, er det ofte svært krevende å hente den ut fra prosessene. Avgasser fra ferrolegeringsindustrien inneholder typisk bestanddeler som kan føre til slitasje, gjengroing og korrosjon. Betingelsene kan også være svært variable, med brå temperaturendringer på 500 °C eller mer.  Varmegjenvinningsutstyr er typisk også plasskrevende, og man vil gjerne ha det plassert så nært de varmeproduserende prosessene som mulig for å unngå tap. I praksis er det sjelden lønnsomt å fange alt – jo mer man prøver å hente ut, desto dyrere og vanskeligere blir det.

Når man så har identifisert en tilgjengelig varmekilde med god nok temperatur er det en siste ting man trenger: En god løsning for å fange inn varmen. For store industrier med rene og fine varmekilder finnes det flust med standardiserte teknologier, men for noen som opererer i et litt mindre marked og som vil benytte en mer eksotisk varmekilde kan det være vanskelig å finne leverandører. Å benytte umoden teknologi eller ikke-standard løsninger er et alternativ som kan bane vei for hele bransjen, men også innebære stor kostnadsrisiko for smelteverket.

Derfor er smelteverk gode varmekilder

Offentlig tilgjengelig statistikk viser at hvert av smelteverkene i Norge bruker fra 700-2500 GWh energi (råmaterialer og elektrisk kraft) årlig, og av dette blir mesteparten (50-70%) til varme som enten fanges eller tapes til omgivelsene. For å forstå mulighetene for varmegjenvinning må man forstå prosessene overskuddsvarmen kommer fra, som i dette tilfellet er ferrolegeringsindustriens smelteovner. Disse gigantovnene produserer flytende metall fra malm ved bruk av store mengder strøm og ulike karbonkilder som treflis og koks. Det som blir igjen av malmen forlater ovnen som slagg, og det produseres også store mengder CO₂-holdig avgass. Alt som kommer ut av ovnen har veldig høy temperatur, og inneholder dermed mye overskuddsenergi i form av varme.

Det finnes to hovedtyper smelteovner som brukes til å produsere ulike ferrolegeringer, kalt enten åpne eller lukkede ovner. «Åpne» ovner slipper inn store mengder luft fra utsiden som gjør at de brennbare bestanddelene i gassen (særlig CO gass) forbrenner fullstendig. Dette produserer varme, og gir en avgass med høy temperatur. Denne typen ovn brukes til å produsere silisium og ferrosilisium.

«Lukkede» ovner har ingen slik luftinnførsel og dermed ingen forbrenning. Som resultat er avgassen mindre i volum og har høy konsentrasjon av CO. Varme kan likevel hentes ut fra denne avgassen ved en kontrollert forbrenning av CO-gassen nedstrøms fra ovnen. Denne typen ovn brukes til å produsere ferromangan og silikomangan.

Den mest anvendelige varmekilden fra denne industrien er nettopp avgassen fra smelteovnene. De fleste norske smelteverk utnytter den allerede i kraftproduksjon gjennom dampturbiner, og kan på denne måten dekke opptil 30 % av eget strømforbruk. De høye temperaturene gjør avgassen godt egnet til dette.

Samtidig finnes det flere utfordringer som begrenser hvor mye varme som faktisk kan hentes ut fra avgassen. Først og fremst er avgassen veldig skitten; den inneholder støv, sot, svovel og mye annet som kan skade varmegjenvinningsutstyr og som må fjernes i filter før gassen kan slippes ut i friluft. Dette gjør at man ikke kan kjøle gassen så langt ned som man ønsker. I tillegg varierer både mengden og temperaturen på gassen kraftig over tid. Slike svingninger, kombinert med risikoen for skader på utstyr, gjør at varmevekslere og lignende utstyr må bygges store og dermed bli mindre effektive.

Varmen fra metallet og slaggen som tappes fra ovnene er også en mulig energikilde, men utnyttes lite i dag. Metallet og slaggen tappes flytende, og store mengder varme går tapt under den påfølgende utstøpingen. Temperaturen er svært høy, noe som gjør at hvis varmen kan fanges, har den stort potensiale for videre bruk. Hvor mye varme det er snakk om varierer likevel mellom smelteverk, siden noen prosesser produserer langt mer metall og slagg enn andre med samme ovnsstørrelse.

Hovedgrunnen til at denne varmen ikke brukes i dag er at det krever en betydelig ombygging av utstøpingsområdene på smelteverkene. I tillegg finnes det foreløpig ingen kommersiell teknologi som egner seg direkte til å fange denne typen varme. I forskningssenteret HighEFF ble det undersøkt nye konsepter for effektiv innsamling av strålingsvarme fra utstøping, men disse har foreløpig ikke blitt testet ut i praksis. Satsvis utstøping (i motsetning til kontinuerlig) og de ekstreme temperaturene utgjør store utfordringer for varmefangst – og det er komplisert å innføre energigjenvinning så tett på en kjerneprosess uten å påvirke driften.

I tillegg fraktes mye varme bort fra ovner og annet utstyr med kjølevann. Selv om prosessene som kjøles har veldig høye temperaturer vil kjølevannet typisk ikke være varmere en 50-60 °C. Dette er velegnet til oppvarming av rom eller eksport til fjernvarmenett, men etterspørselen er ofte mye lavere enn mengden varme som er tilgjengelig. Integrasjon i andre prosesser for forvarming eller gjennom oppgradering med varmepumpe er også mulig hvis man kan finne et bruksområde, men disse er sjeldne i smelteverksindustrien.

Muligheter for mer varmegjenvinning

Overordnede energikartlegginger viser at mesteparten av overskuddsvarmen fra ovnene forsvinner gjennom avgassen, men at lukkede ovner også har betydelig mengder varme i metallet og slaggen de produserer. Dagens energigjenvinning utnytter mesteparten av varmen i avgassen og avgir samtidig kjølevann ved mye lavere temperatur. I åpne ovner har gassen høy temperatur når den fraktes i rør fram til energigjenvinningsanlegget, og noe varme går tapt til omgivelsene underveis. I lukkede ovner er normalt gassen ikke like varm før den forbrennes i gjenvinningsanlegget, noe som gjør det lettere å utnytte energien fullt ut.

Alt i alt ser vi at industrien allerede utnytter store deler av varmen de produserer. Det er likevel betydelige mengder som fortsatt ikke tas i bruk. Denne gjenstående varmen forlater prosessen enten i lavtemperatur kjølevann, i diffuse varmetap fra avgasskanaler og andre overflater, eller i varmt metall og slagg som tappes fra ovnene. For ovner med strømforbruk på 50 MW har vi estimert at 12-20 MW overskuddsvarme fortsatt er tilgjengelig – og da regner vi kun med den delen av varmekildene som er over 100°C!

Hvorfor henter vi ikke bare ut all denne varmen?

For å finne ut hvorfor denne varmen ikke brukes, og hvorvidt vi kan gjøre noe med det, må vi se litt nærmere på praktiske forhold på smelteverkene. Litt forenklet kan vi gruppere forholdene som kompliserer varmegjenvinning slik:

Ovnsutløp. Avgassen som kommer ut fra åpne ovner har som nevnt veldig høy temperatur, og med typiske dimensjoner som finnes på smelteverk, vil det alltid bli noe avstand å frakte avgassen frem til et energigjenvinningsanlegg, selv om det plasseres så tett inntil ovnene som mulig. Med vanlige løsninger kan det bli betydelige varmetap til omgivelsene. Noe av dette tror vi kan hentes inn med isolering av avgasskanalene og ved å plassere (deler av) varmegjenvinningen nærmere ovnene, men der er det typisk begrenset med plass. Det er også begrenset hvor høye temperaturer dagens utstyr tåler. Dagens energigjenvinning kan altså økes litt, men noe varmetap fra de høyeste temperaturene er i praksis uunngåelig.

Gassrensing. I tillegg til varme og CO₂ inneholder avgassene støv, svovel og andre miljøfiendtlige stoffer som smelteverkene er pålagt å fjerne før de slipper gassen ut i luft. Det brukes en rekke forskjellige teknologier til dette, og disse har typisk krav til spesifikke drifts-temperaturer. Selve renseprosessen kan også medføre betydelige varmetap. Dette setter noen praktiske grensebetingelser for varmegjenvinning som er vanskelig å omgå.

Umoden fangstteknologi. Mye av det teoretiske potensialet for økt varmegjenvinning ved høy temperatur ligger i fangst av varme fra metall og slagg som tappes fra ovnene. Det finnes ingen leverandører som tilbyr nøkkelferdige løsninger for dette enda, og konseptene som er aktuelle vil kreve at smelteverkene tenker nytt omkring tappeprosessene i sine eksisterende fabrikker. Manglende løsninger per i dag gir dermed et uforløst praktisk potensial når det gjelder varmen fra smeltet metall og slagg.

Hensiktsmessig fangstgrad. Det er ganske stor forskjell på hvor mye innsats og utstyr som skal til for å fange all varmen fra en varmekilde sammenlignet med hvis man «bare» vil fange mesteparten. Spesielt gjelder dette når varmekilden er spredt utover et større område eller varierer mye over tid. Man vil måtte godta at deler av varmen ikke er hensiktsmessig å fange inn sammenliknet med hvilken ekstra innsats det vil kreve, men størrelsen på disse andelene er vanskelig å sette tall på. I våre studier bruker vi en prosentsats (f.eks. 75 % for avgass eller 50 % for støpte produkter) for å estimere tilgjengelig varme før andre begrensninger tas hensyn til.

Hva kan vi gjøre bedre?

Alt tatt i betraktning vil vi påstå at industrien allerede utnytter mye av overskuddsvarmen som er praktisk tilgjengelig, og at de gjør kost-nytte-vurderinger på nye utvidelser. Hvert smelteverk er unikt, med forskjellige forutsetninger og varmekilder, men basert på våre eksempler vil vi peke ut et par retninger der vi likevel ser mulighet for økt energigjenvinning fra varme:

Forbedret håndtering av høytemperatur gass

På verk med åpne ovner spesielt er det potensiale for økt varmegjenvinning fra avgassen når den er på sitt varmeste idet den forlater smelteovnen. Et alternativ som har vært utprøvd av Elkem er avgassrør og -hetter med sirkulerende vann i veggene. Dette kjøler ned utstyret og gjør at det tåler varmen, samtidig som det produseres ekstra damp til energigjenvinningssystemet. Tidligere forskning fra SINTEF har vist at man også kan øke strømproduksjonen i eksisterende dampanlegg med smarte kontrollsystemer som motvirker variasjoner i avgassen og holder temperaturen mer stabil. Det har også vært foreslått å bruke varmelagring med f.eks. en dampakkumulator for å håndtere disse variasjonene, men integrasjon av dette krever mer forskning.

Utvikling av teknologi for varmegjenvinning fra støpeprosesser

Støpevarme er en lovende varmekilde fordi den holder veldig høy temperatur gjennom mesteparten av prosessen, og er ikke i bruk til andre formål i dag. Spesielt på verk med høy produksjon av metall eller slagg bør mulighetene for varmegjenvinning fra disse utforskes videre. Forskningsbehovet er dog høyt, med komplekse utfordringer som må løses og ingen konsepter som har vært utprøvd i industrien så langt.  

Helhetlig vurdering av varmestrømmer

Det er store forskjeller på smelteverkene her til lands, og en løsning som fungerer bra for ett verk vil ikke nødvendigvis fungere for et annet. Alle bør nok ha varmegjenvinning fra avgass, men ting som temperatur og støvmengde kan påvirke hvilken løsning de bør velge. Derfor bør en grundig energikartlegging, som også inkluderer varmestrømmenes tilgjengelighet og egenskaper, ligge til grunn for enhver vurdering av gjenvinningsmuligheter. Dette kan også avdekke potensielle varmekilder eller varmebehov som ikke er standard i industrien, samt muliggjøre en mer overordnet tilnærming for optimalisering av design.