Stort potentiale for elektrificering i industrien

ELFORSK-projektet "Elektrificering af processer og teknologier i dansk industri" har udviklet analysen, som viser at ud af procesindustriens nuværende brug af brændsler på omkring 60 PJ/år kan der med elektrificering nås ned på under 10 PJ/år, eller endda ned mod 5 PJ/år afhængig af teknologiniveau anvendt.

Projektet har til formål at vise realiseringsmuligheden og muligheden for at substituere procesvarme fra forbrænding af fossile brændstoffer med 100 % el-baseret varme. Her omtales nogle af de første resultater som projektet har opnået.

Fremtidens el-baserede industri
”Elektrificering” beskrives som substitution af en fossilt brændselsbaseret forsyning, med en forsyning baseret på el. Fordelen ved en el-baseret varmeforsyning er at man direkte kan bruge el fra vedvarende energikilder og dermed reducerer afhængigheden af fossile brændstoffer. Desuden kan processerne i industrien bruges til at skaffe fleksibilitet i elnettet.

Kortlægning af potentiale for elektrificering i dansk industri
I et tidligere arbejde har vi udviklet modeller for kvantificering af energianvendelse og overskudsvarme i industriens brancher ud fra datagrundlaget i Energistyrelsens og Viegand Maagøes kortlægninger af industriens energianvendelse. Modellerne har været anvendt til at analysere fordeling af energibehov og overskudsvarme efter temperaturniveau og geografisk ved brug af Geografisk InformationsSystem GIS-data.

Kortlægningen viser at der er væsentlig variation i temperaturerne som kræves i forskellige brancher, men også at en væsentlig del af behovet ligger omkring 100 °C, fx i fødevareindustri og papirindustri. I andre brancher ligger behovet ved væsentlig højere temperaturer. Tilsvarende findes at overskudsvarme er fordelt over et spænd af temperaturer, med væsentligt potentiale over 150 °C og ved væsentligt lavere temperaturer under 50 °C. De høje temperaturer vil kunne udnyttes direkte ved varmegenvinding, mens de lavere vil kræve anvendelse af varmepumper og dermed elektrificering.

Stort potentiale for elektrificering
En udvidelse af modellen har vist at der er stort potentiale for elektrificering af energianvendelsen til opvarmning i industrien ved anvendelse af varmepumper, damprekompression (MVR) og direkte elvarme. Samlet set viser analysen at ud af procesindustriens nuværende brug af brændsler på omkring 60 PJ/år kan der med elektrificering nås ned på under 10 PJ/år, eller endda ned mod 5 PJ/år afhængig af teknologiniveau anvendt. Dermed ses både elektrificering og dermed dekarbonisering, mens energieffektiviteten stiger betydeligt. I og med at der med elektrificering og varmepumper kræves mindre kapacitet er konverteringen mindre krævende, da der ikke behøves samme kapacitet i elsystemet som i et tilsvarende gassystem.

Foruden den overordnede analyse på sektorniveau har der i projektet været analyseret cases for elektrificering af produktion af mælkepulver og af et dampvaskeri. For den første case er der fundet en løsning som vil kunne give fuld elektrificering af processen og dermed helt undvære brændsel. Dette vil dog kræve en vis udvikling af ny varmepumpeteknologi. For dampvaskeriet er der fundet et antal mulige implementeringer som er teknisk og under visse forudsætninger økonomisk attraktive.

Mange processer kræver temperaturer som er højere end hvad der kan leveres med nuværende teknologier. Derfor har projektet undersøgt status og potentiale for varmepumper til høje temperaturer over 150 °C. Resultaterne viser at både gasprocesser (Omvendt Brayton) og kompressionsvarmepumper med vanddamp som arbejdsmedie vil kunne give levere varme ved temperaturer helt om mod 300 °C.

De hidtidige resultater af arbejdet har blandt andet allerede bidraget til nye aktiviteter i samarbejde med partnere nationalt og internationalt – og også til nye projekter med fokus på fødevareindustri og højtemperaturvarmepumper.  

Behov for procesvarme i dansk industri

Potentiale for elektrificering af brancher

 Potentiale for elektrificering af brancher i dansk industri (BAU: Nuværende Business as Usual, Lo: Løsninger med høj teknologisk tilgængelighed, Hi Løsninger med høj teknologisk tilgængelighed).

Potentiale for elektrificering af dansk industri

Potentiale for elektrificering af dansk industri og resulterende CO₂-emission for to scenarier (BAU: Nuværende Business as Usual, Lo: Løsninger med høj teknologisk tilgængelighed, Hi Løsninger med høj teknologisk tilgængelighed).

ELFORSK-projektet afsluttes i første kvartal 2021. Her på siden kan du hente slutrapport, som indeholder en gennemgang af forskellige cases.

Baggrund
Danmarks mål om at opnå 70 % reduktion af klimapåvirkning i 2030 og et fremtidigt energisystem baseret på vedvarende energi i 2050 kræver at en væsentlig del af energiforsyningen omlægges til at være el-baseret. Industrien er en af de mest energiintensive sektorer på verdensplan og står for omkring 38% af verdens energianvendelse. I Danmark emitterede industrien 4,234,000 tons CO2 i 2014, hvilket er den samlede mængde fra husholdninger, handels- og servicesektor. Energianvendelsen til procesvarme er med 62 % primært baseret på fossile brændsler. Yderligere 32 % kommer fra konverteret energi, som el og fjernvarme, hvilket også i nogen grad er fossilbaseret. Olieraffinaderier, føde- og drikkevarer samt plast-, glas-, og betonindustrien står for den største andel af energianvendelsen i industrien.

Artiklen er skrevet i et samarbejde mellem:

• Brian Elmegaard, Nasrin Arjomand Kermani (DTU Mekanik)
• Fabian Bühler (Energistyrelsen)
• Benjamin Zühlsdorf (Teknologisk Institut)
• Fridolin Müller Holm (Viegand Maagøe)

Kilder
Bühler, F., Petrovic, S., Ommen, T. S., Holm, F. M., & Elmegaard, B. (2017). Identification of Excess Heat Utilisation Potential using GIS: Analysis of Case Studies for Denmark. In Proceedings of ECOS 2017: 30th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems https://orbit.dtu.dk/en/publications/identification-of-excess-heat-utilisation-potential-using-gis-ana

Bühler, F., Zühlsdorf, B., Nguyen, T-V., & Elmegaard, B. (2019). A comparative assessment of electrification strategies for industrial sites: Case of milk powder production. Applied Energy, 250, 1383-1401. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.05.071

Zühlsdorf, B., Bühler, F., Bantle, M., & Elmegaard, B. (2019). Analysis of technologies and potentials for heat pump-based process heat supply above 150 °C. Energy Conversion and Management: X, 2, [100011]. https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2019.100011

Bühler, F., Müller Holm, F., & Elmegaard, B. (2019). Potentials for the electrification of industrial processes in Denmark. In Proceedings of ECOS 2019: 32nd International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems https://orbit.dtu.dk/en/publications/potentials-for-the-electrification-of-industrial-processes-in-den