Methodology development and assessment of lower carbon industrial process heat through solar energy and heat pumps
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau | |
| dc.contributor.referee | Vajen, Klaus (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Martinez-Moll, Victor (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Wetzel, Heike (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Schmitt, Bastian (Dr.-Ing.) | |
| dc.date.accessioned | 2018-05-24T07:40:24Z | |
| dc.date.available | 2018-05-24T07:40:24Z | |
| dc.date.examination | 2018-04-16 | |
| dc.date.issued | 2018-05-24 | |
| dc.description.sponsorship | This work was supported by the People Programme (Marie Curie Actions) of the Seventh Framework Programme FP7/2007e2013/under REA grant agreement n 317085 [PITN-GA-2012-317085], commonly known at the SHINE (Solar Heat INtegration Network) Program (https://www.uni-kassel.de/projekte/solnet-shine/home.html) | eng |
| dc.identifier.uri | urn:nbn:de:hebis:34-2018052455520 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/2018052455520 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | solar thermal | eng |
| dc.subject | heat pump | eng |
| dc.subject | techno-economic | eng |
| dc.subject | process heat | eng |
| dc.subject | industrial | eng |
| dc.subject | photovoltaic | eng |
| dc.subject | ST | eng |
| dc.subject | PV | eng |
| dc.subject | HP | eng |
| dc.subject | comparison | eng |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.subject.swd | Thermische Solaranlage | ger |
| dc.subject.swd | Wärmepumpe | ger |
| dc.subject.swd | Fotovoltaik | ger |
| dc.subject.swd | Kohlendioxidemission | ger |
| dc.subject.swd | Erneuerbare Energien | ger |
| dc.title | Methodology development and assessment of lower carbon industrial process heat through solar energy and heat pumps | ger |
| dc.type | Dissertation | |
| dcterms.abstract | The reduction of energy consumption in industrial processes, notably within low temperature industries, leads to greater economic gain and lower carbon emissions. Numerous energy audits and case studies within the food and beverage industry suggest that initial efforts to reduce energy consumption should focus on energy efficiency measures such as heat recovery and process optimization due to their lower cost of implementation. Eventually, however, an efficiency limit is reached and the only way to further reduce thermal energy consumption and carbon emissions is by implementing renewable heat solutions. Three technologies are of main interest: solar thermal collectors, photovoltaics, and vapor compression heat pumps. To determine their feasibility for low-temperature (< 150 °C) industries, solar thermal and photovoltaic process heat plants are simulated under numerous boundary conditions, elucidating their specific energy yield potential as a function of technology type, process and ambient temperature, and annual solar irradiation. The negative effect of process load and profile, thermal storage size, and facility outages on annual specific yield is also considered in this work. An assessment methodology is developed that compares solar thermal against three other technology couplings (direct-resistance photovoltaic heating, grid and photovoltaic powered heat pumps), determining the lower cost heat generation or carbon abatement technology. The methodology is designed to be near-universally applicable and highly flexible, allowing for variations in geographical location, process temperature, production schedule, and both present and predicted future technology investment. In nearly all cases, the methodology has a model prediction error of less than 5% (root-mean-square). Results indicate that, at current conditions, solar thermal produces lower cost process heat than direct-resistance photovoltaics in most cases, excluding processes above 100 °C in regions with limited solar irradiation. Grid and photovoltaic powered heat pumps produce lower cost heat when operating for the majority of the year but become the more expensive renewable heat technology when operating less than 1000 hours annually. To abate carbon, solar thermal is the clear choice unless a heat pump has access to very low carbon electricity, primarily from nuclear or renewable sources. In the near future, photovoltaic and heat pump capital investments are expected to decrease. In turn, solar thermal must drive down costs to safeguard its vital role in the renewable energy future. Using the developed methodology, solar thermal should conservatively target turn-key plant investments of no greater than 200 €/m2ap in lower solar irradiation regions and 300 €/m2ap in higher solar irradiation regions to protection itself against other competing renewable heat technologies. | eng |
| dcterms.abstract | Die Reduktion des Wärmebedarfs für industrielle Prozesse, insbesondere im Fall der Niedertemperaturprozesse (T < 150 °C), bietet große ökonomische Vorteile und ein hohes Potential zur Senkung von CO2-Emissionen. In Hinblick auf die Ergebnisse zahlreicher Energieaudits in der Ernährungsindustrie sollten sich die Bemühungen aufgrund des geringeren Umsetzungsaufwandes zuerst auf Effizienzmaßnahmen konzentrieren, wie z.B. bei Wärmerückgewinnung und Optimierung der Prozesse. Sind die Effizienzpotentiale ausgeschöpft, bieten nur noch erneuerbare Energie zur Wärmeversorgung weitere Potentiale zur Reduktion von fossilen Wärmebedarf und CO2- Emissionen. Zur Bereitstellung von erneuerbarer Wärme in diesem Temperaturbereich sind derzeit drei Technologien relevant: Solarthermie, Photovoltaik und Wärmepumpen. Daher wurden umfangreiche Simulationen in dem genannten Temperaturbereich durchgeführt, um den spezifischen Ertrag von Solarthermie- und Photovoltaik-Anlagen in Abhängigkeit von Kollektorart, Prozess- und Außentemperatur sowie jährlicher Sonneneinstrahlung zu ermitteln. Variierende Rahmenbedingungen wie Einflüsse durch Prozesslast und -profil, Kapazität des Wärmespeichers sowie Zeiten ohne Wärmebedarf wurden ebenfalls berücksichtigt. In einem weiteren Schritt wurde eine Methode entwickelt, mit der schnell die Wärmegestehungs bzw. CO2-Vermeidungskosten einer solarthermischen Anlage mit drei weiteren Technologiekombinationen (Widerstandsheizung durch PV-Strom, Wärmepumpe mit Netz- und PV-Strom) verglichen werden kann. Somit kann in einem letzten Schritt ermittelt werden, auf welche Art und Weise die erneuerbare Wärme am günstigsten bereitgestellt werden kann und damit CO2-Emssionen verhindert werden können. Die entwickelte Methodik ist hierbei sehr flexibel auf verschiedenste Standorte, Prozesstemperaturen und -lasten sowie heutige und zukünftige Investitionskosten anwendbar. Somit ist quasi eine universtelle Verwendung bei einem Modellfehler von weniger als 5% (quadratischer Mittelwert) gegeben. Die Ergebnisse zeigen, dass unter den derzeitigen Gegebenheiten Solarthermie in dem meisten Fällen kostengünstigere Wärme im Vergleich zu Photovoltaik erzeugen kann. Lediglich in sonnenarmen Gebieten bei Prozesstemperaturen oberhalb von 100 °C kann Photovoltaik vorteilhaft sein. Dagegen können sowohl Netz- als auch PV-Strom betriebene Wärmepumpen günstigere Wärme bereitstellen, unter der Voraussetzung, dass sie einen Großteil des Jahres in Betrieb sind. Bei weniger als 1000 Volllaststunden im Jahr ist jedoch auch hier Solarthermie die bevorzugte Technologie. Um Emissionen kostengünstig zu reduzieren, ist Solarthermie in allen Fällen die mit Abstand effizienteste Lösung, es sei denn eine Wärmepumpe wird ganzjährig mit Strom betrieben, der einen niedrigen CO2-Emissionsfaktor aufweist, wie z.B. Atom- oder erneuerbaren Strom. In naher Zukunft werden weitere Kosteneinsparungen bei Photovoltaik- und Wärmepumpensystemen erwartet. In Hinblick hierauf zeigt die Analyse, dass die Kosten zukünftiger schlüsselfertiger Solarthermieanlagen in sonnenarmen Ländern 200 €/m²ap und in sonnenreichen Ländern 300 €/m²ap nicht überschreiten dürfen. Nur so werden Solarthermieanlagen auch in Zukunft die günstigste Technologie zur Bereitstellung erneuerbarer Wärme im Niedertemperaturbereich sein und somit einen wesentlichen Teil zur Wärmewende beitragen. | ger |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Meyers, Steven |