Utnytte industriell overskuddsvarme med termisk lager

I industrien er det mye behov for varme: Blant annet skal metall smeltes, melk pasteuriseres og olje raffineres. Faktisk kan industrielle prosesser være en kilde til varme i seg selv, men disse prosessene produserer typisk mer varme enn det er behov for på anlegget og i nærliggende industrier og boliger. Derfor er dette varme som ofte ikke brukes på en kostnadseffektiv måte og blir frigitt til omgivelsene. Hva kan vi gjøre med det?

Dette innlegget er skrevet av gjesteforfatter Simon Lingaas, masterstudent i HighEFF/NTNU.
Kontaktperson: Monika Nikolaisen.

• FME HighEFF (Centre For Energy Efficient and Competitive Industry for the Future) publiserte nylis årsrapporten for 2018 – Se videoer, les case og se forskningsresultater fra 2018 her 

I sommer hadde jeg sommerjobb i FME HighEFF hvor jeg jobbet med et prosjekt om kraftproduksjon fra industrielle kilder til overskuddsvarme. I dette blogginnlegget skal jeg fortelle om hva jeg jobbet med og hva jeg fant ut.

Mulige utnyttelser av overskuddsvarme

En mulighet er å produsere elektrisitet fra denne overskuddsvarmen/spillvarmen. Dette er ingen ny idé; prinsippet brukes i mesteparten av elektrisitetsproduksjonen i verden. En utfordring med å produsere elektrisitet fra en kilde basert på spillvarme er at man ikke har særlig god kontroll på varmemengden og temperaturnivåene. I vanlig kraftproduksjon kan man kontrollere varmekilden mye bedre, for å sikre gode driftsbetingelser for kraftproduksjonsprosessen.

Termisk lager for spillvarme med store variasjoner i temperatur

I sommer undersøkte jeg en spillvarmekilde som var langt fra konstant. Den var periodisk, med lange perioder hvor den ikke leverte varme, noe som ikke er ideelt hvis man ønsker å produsere elektrisitet fra varmekilden.

For å komme meg rundt den varierende temperaturen så jeg på muligheten for å installere et termisk lager mellom spillvarmekilden og kraftproduksjonsprosessen. På den måten kunne varme lagres i perioder hvor for mye varme ble levert, for så å bli levert videre når lite eller ingen varme ble levert fra industrien. Dette kunne sikre en kontinuerlig og mye mindre variabel varmetilførsel.

Et system for høye varmelaster og lave temperaturer kan gi mindre tap

Oppgaven min ble dermed å lage en modell av det termiske lageret. Modellen ble brukt til å simulere kraftproduksjonen ved hjelp av et program utviklet av blant annet min veileder, Brede Hage, hvor elektrisitet ble produsert i en Rankine-syklus med intern varmeveksling.

Siden mengden og temperaturen på varmen som ble levert til rankine-syklusen fortsatt ikke var helt konstant, måtte kraftprosessen produsere elektrisitet ved variable driftsbetingelser. Dette førte til tap, siden turbinen ikke alltid kunne operere for betingelsene den var designet for. Jeg brukte mye tid på å finne driftsbetingelser og designparametere som førte til mest og best mulig elektrisitetsproduksjon.

Det viste seg at variasjoner i elektrisitetsproduksjonen kunne minkes ved å øke varmen levert fra lageret mens lagertemperaturene var lave, og minke varmen levert mens lagertemperaturene var høye. Tapene knyttet til kraftproduksjon kunne reduseres ved å designe systemet for høye varmelaster og lave temperaturer. I tillegg så jeg blant annet på hvordan størrelsen på lageret påvirket systemet. Et større lager ville ytterligere redusere variasjoner i kraftproduksjon, på bekostning av høyere investeringskostnader.

Fra sommerjobb til masteroppgave

Jeg gikk inn i sommerjobben rett etter at jeg fullførte mitt fjerde år som sivilingeniørstudent innen energi og miljø. Denne bakgrunnen hjalp meg, siden jeg kunne bruke mye av det jeg hadde lært i tidligere fag. Samtidig var det problemstillinger og temaer som jeg ikke kunne fra før. Dette ga meg en mulighet til å lære noe nytt.

Jeg hadde også veiledere som var tilgjengelige hele tiden. De var interessert i arbeidet mitt og hjalp meg hvis jeg satt fast. Dette var første gangen jeg jobbet med noe som ikke var blitt løst hundre ganger før, hvor det ikke var noen fasit. Det var veldig spennende, jeg lærte mye, og tanken på at resultatene mine kan benyttes videre er veldig morsomt. Mestringsfølelsen jeg fikk av resultatene jeg produserte er stor.

I tillegg til alt det faglige var det mye annet som skjedde i løpet av sommeren. Man er ikke alene som sommerforsker, jeg satt sammen med en rekke andre sommerforskere. Det ga meg muligheten til å bli kjent med mange nye mennesker, gjennom kaffepauser, gode lunsjer og arrangementer utenfor arbeidstiden.

Tiden som sommerforsker er over for meg, men jeg har ikke gitt helt slipp enda. Jeg fortsatte arbeidet mitt fra i sommer inn i prosjektarbeidet mitt i høst, og nå skriver jeg en masteroppgave som bygger på både sommerarbeidet og prosjektarbeidet mitt for å lære enda mer om varmegjenvinning, og kanskje til og med bidra til litt mer effektiv industri på sikt.