Waste heat recovery and utilization with a heat pump

Abstract

The industrial sector, including the chemical industry, produces and consumes vast amounts of energy in various forms for their production processes. This energy is mainly intended for heating. Due to fluctuating electricity and heating costs, as well as stricter climate politics. Companies are looking for new ways and technologies to increase their energy efficiency while decreasing emissions. Companies have implemented more traditional methods to decrease energy usage and recovery systems to utilize high temperature waste heat. However, they have left the low temperature waste heat with its potential somewhat untouched. The problem with utilizing low temperature waste heat is that it is not as easy to utilize as high temperature waste heat. This thesis aims to identify and provide information about technologies that can recover and utilize low temperature waste heat to determine the most suitable one for a production plant and to evaluate its technological feasibility and economic performance.

This thesis studies technologies that can produce temperatures up to 100 °C more in-depth and technologies that can produce temperatures over 150 °C to some degree, from waste heat. Technologies that can generate electricity are presented briefly for possible future applications. Heat generating technologies are compared against each other, and their suitability for the production plant is evaluated. The chosen technology, the mechanical compression heat pump (MCHP), is applied to two case studies to evaluate its technological feasibility and economic performance at the production plant. The economic performance is studied through various parameters such as the internal rate of return (IRR), net present value (NPV), return on investment (ROI), yearly savings, and payback time (PBT), which is the most crucial parameter. PBTs less than 5 years, between 5 and 10 years, and over ten years were considered favorable, acceptable, and less favorable, respectively.

The required MCHP technology and its implementation to the production plant in the first case (≈ 100 °C) was considered mature and feasible. The implementation of the MCHP in the second case (> 150 °C) was considered feasible, but the required technology was not mature enough. The estimated coefficient of performances (COP), obtained through simulations, were 6.8 and 1.91 during normal production for the first and second cases, respectively. Both investments showed to be very profitable by generating yearly savings between 0.3-1.6 million euros with PBTs of between 1.5-4.9 years for the first case and yearly savings between 0.3-3.3 million euros with PBTs of between 1.3-5.6 years for the second case.

As a result of this thesis, the company in question was recommended to carry on with implementing the MCHP, like in the first case study while putting the second case study on hold. Further research and studies are required before the implementation of the MCHP, similar to the first case study, can be done. Based on this case study, implementing the MCHP would be a profitable investment for the production plant. Even if the heating and electricity prices would not be the most favorable, the investment would still pay itself back within an acceptable time. Most importantly, this investment would be a step in the right direction by increasing the energy efficiency and sustainability of the production plant.

Den industriella sektorn, inklusive kemiindustrin, producerar och använder enormt mycket energi i olika former. Till mesta dels används denna energi för att värma deras produktionsprocesser. På grund av varierande el- och värmepriser och striktare klimatpolitik, letar företagen efter nya sätt och teknologier för att öka sin energieffektivitet och minska utsläppen. Företagen har implementerat mer traditionella metoder för att minska energiförbrukningen samt teknologier för att återvinna spillvärme i hög temperatur. Företagen har dock lämnat spillvärme i låg temperatur orört, för att det är svårare att utnyttja jämfört med spillvärme i hög temperatur. Syftet med detta arbete är att identifiera och sammanställa information om teknologier som kan återvinna och utnyttja spillvärme i låg temperatur. På basis av informationen fastställs den lämpligaste teknologin för en produktionsanläggning och dess teknologiska lämplighet och ekonomiska prestation utvärderas.

Det här arbetet fokuserar på teknologier som kan producera temperaturer upp till 100 °C samt betraktar även teknologier som kan producera temperaturer över 150 °C av spillvärme. Teknologier som kan producera el av spillvärme presenteras kort för möjliga användningsändamål i framtiden. Värmeproducerande teknologier jämförs med varandra och deras lämplighet för produktionsanläggningen värderas också. Den valda teknologin, mekaniska kompressionsvärmepumpen (MCHP), tillämpas i två olika fall var dess teknologiska lämplighet och ekonomiska prestation värderas för produktionsanläggningen. Den ekonomiska prestationen värderas via olika nyckeltal som intern ränta (IRR), nettonuvärde (NPV), räntabilitet (ROI), årliga besparingar, och återbetalningstid (PBT) som är den mest avgörande. Återbetalningstider under 5 år, mellan 5 och 10 år, och över 10 år klassificerades som gynnsamma, acceptabla, och inte gynnsamma, respektive.

Den behövliga MCHP teknologin och dess implementering till produktionsenheten i första fallet (≈ 100 °C) ansågs vara mogen och möjlig. Implementeringen av MCHP:n i andra fallet (> 150 °C) ansågs som möjlig, men den behövliga teknologin var inte tillräckligt mogen ännu. Simuleringsresultaten gav estimerade värmefaktorer (COP) som var 6,8 och 1,91 under normal produktion för första och andra fallet. Båda investeringarna framstod väldigt lönsamma med årliga besparingar mellan 0,3–1,6 millioner euro med återbetalningstider mellan 1,5–4,9 år för första fallet, och årliga besparingar mellan 0,3–3,3 millioner euro med återbetalningstider mellan 1,3–5,6 år för andra fallet.

Utifrån arbetets resultat rekommenderades det för företaget att fortsätta med implementeringen av MCHP:n, enligt första fallet, medan andra fallet skall sättas på paus tills vidare. Mer undersökning och studier behövs även innan implementeringen av MCHP:n, enligt första fallet, kan utföras. Implementeringen av MCHP:n, enligt första fallet, skulle vara en lönsam investering för produktionsanläggningen. Även om värme- och elpriserna inte skulle vara gynnsammaste, skulle investeringen ändå betala sig tillbaka inom en acceptabel tid. Viktigaste är ändå att denna investering skulle vara ett steg i rätt riktning genom att den skulle öka produktionsanläggningens energieffektivitet och miljömässiga bärkraft.