Waste heat recovery from SSAB’s Steel plant in Oxelösund using a Heat Pump

Sammanfattning: Detta projekt är inriktat på spillvärmepotentialer inom järn och stålindustrin. Högtemperaturvärme-pumpar för medelvarma temperaturkällor har modellerats. SSABs stålverk i Oxelusund har använts som exempel. Järn- och stålindustrin i Sverige är storkonsument av energi, tillsammans med pappers och massaindustrin. Det finns också en stor potential för spillvärmeåtervinning i stålindustrin. Det görs redan i Luleå t ex [1]. Järn och stålindustrins produktionsmetoder och spillvärmeåtervinning, speciellt i USA och Sverige har studerats genom en litteraturstudie. Dagens metoder och potentialer för spillvärmeåtervinning inom järn och stålindustrin i Sverige studerades speciellt. SSABs anläggning i Oxelösund, har i decennier planerat inte bara att värma Oxelösunds stad som idag, utan också expandera till näraliggande Nyköping bara 12 km bort [2]. Typiskt är den maximala framledningstemperaturen till Nyköpings fjärrvärmenät 110 °C den kallaste dagen. En spillvärme-värmepump når normalt inte upp till så höga temperaturer. Dock räcker 80 °C maximal framledningstemperatur från värmepumpen för att nyttiggöra spillvärmekällan kontinuerligt. Även en lägre temperatur som 75 °C skulle sannolikt räcka. Bara några få fjärrvärme-värmeväxlare i några hus skulle behöva bytas för att denna lägre temperatur skulle räcka till. De överskjutande graderna mellan 80 °C (75 °C) och 110 °C kan tas med värme från t ex existerande biobränslepannor lokalt i Nyköping. Att använda värmepumpar i detta sammanhang är inte självskrivet. Generellt är värmeflödena från ett stålverk så högtempererade att ingen värmpump behövs. Om man försöker komma åt dessa högtemperaturflöden i en gammal anläggning kan det bli väldigt dyrt och störa produktionen. Därför koncentrerades studien på medeltemperaturkällor (30 °C till 40 °C) och användande av högtemperaturvärmepumpar. Sådan värme dumpas nu med kyltorn. På så sätt kan 50 % av Nyköpings värmebehov tillgodoses med lätt tillgänglig spillvärme. Om man antar en värmefaktor på cirka 5, och lägger till värmepumpens förbrukade elektricitet blir det 62 % av Nyköpings fjärrvärmebehov. Oxelösundanläggningen är bara ett exempel och studien fokuseras på högtemperaturs-industriella värmepumpar HITIHP för sådana här och liknande användningar. Lämpliga komponenter och köldmedia har undersökts och generella konstruktionsprinciper av HITIHP föreslås. En litteraturstudie för att finna de bästa HITIHP-köldmedierna har gjorts. En tvåstegs högtemperaturvärmepump, som använder den tillgängliga värmekällans kapacitet och temperaturer tillsammans med fjärrvärmenätets krav, har modellerats och simulerats. Simuleringen har huvudsakligen gjorts med programmet EES. R245fa har t ex visat sig vara lämpligt som köldmedium i det andra steget av en högtemperaturvärmepump. Med R245fa kan till och med högre temperaturer än 90 °C uppnås till fjärrvärmesystemet. Tidigare skulle R134a ha använts i en sådan här applikation, men R245fa har t e lägre GWP (Global Warming Potential omkring 1000 istället för omkring 1300)[3]. Många olika köldmedia har simulerats i lågtemperatursteget av värmepumpen som initialt antogs vara en skruvkompressor-kaskad-värmepump. En större värmpump med två turbokompressorsteg och flashtank har också simulerats. Den gav också tillfredställande resultat. I det senare fallet studerades både R1234ZE(z) och R245fa som gav goda resultat men R1234ZE(z) ger mycket lägre GWP. Alla värmefaktorer (COP, energibehov, kondensortryck och tryckförhållanden (hög-/lågtryck) jämfördes. R245fa-R245fa och R600a-R245fa studerades noga i tvåstegs-kaskad-systemet med skruvkompressor. Dessa kombinationer gav bäst resultat. R717-R245fa var också bra men hade andra begränsningar. I tvåstegssystem med turbokompressorer och flashtank visade sig visade sig R1234ZE(z) ge gen bästa värmefaktorn. Man hade naturligtvis inte heller något temperaturfall i någon värmeväxlare mellan de två stegen. Om SSABs spillvärme av någon anledning inte skulle vara tillgängligt kan en sådan värmpump istället använda havsvatten som värmekälla. Begränsningen av koldioxidutsläppen är mycket svåra att beräkna. Detta kommer att bero mer på politisk övertygelse än på lättbevisade fakta. En mycket grov beräkning av kostnaden har också gjorts. Uppskattningsvis kommer projektet att kosta mellan 420 och 450 MSEK. Kostnadsuppskattningen inkluderar värmepumpen och en 12 km lång förbindelse till Nyköping. Kostnaden för värme levererad till Nyköping, kommer att variera mellan 0,2 kr/kWh och 0,65 kr/kWh när elpriset varieras mellan 0,5 och 2 SEK/kWh. Den högre värmkostnaden 0,65 kr/kWh beror också på att östersjövatten – inte spillvärme används som värmekälla. Värme från ett kyltorn kan återvinnas med en högtemperaturvärmepump. Den kan levereras från Oxelösund till Nyköping. De ekonomiska detaljerna har bar studerats översiktligt. Faktorer som om renovering den gamla pannan i Nyköping eller SSABs kyltorn kunde senareläggas, skulle kunna förbättra intresset för projektet. Ett spillvärmerör mellan Oxelösund och Nyköping har studerats sedan mitten av 70-talet av t ex Lars-Åke Cronholm [4]. Kan det vara dags nu?