High temperature heat pumps for efficient utilisation of low temperature surplus heat

Varmepumper har den unike egenskapen at de ved å utnytte en lavtemperatur varmekilde effektivt kan levere mer høyverdig termisk energi ved bruk av en mindre andel av elektrisitet. Dagens systemer har imidlertid en øvre temperaturgrense på omtrent 80'C, som begrenser industriell storskala anvendelse. HeatUp har som mål: i) å øke temperaturgrensen til over 100'C og opp mot 200'C ved bruk av naturlige kuldemedier som butan, ammoniakk og vann, ii) å utvikle nye konsepter for høytemperatur varmepumper til industrielt bruk i norske og europeiske industrier. Fokusområde er utnyttelse og oppgradering av industriell lavtemperatur spillvarme, en signifikant og verdifull energikilde. Per i dag er spillvarmen ubrukt pga. manglende teknologi og konsepter for høytemperatur varmepumper, samt lang tilbakebetalingstid. Teknologier utviklet i HeatUp vil både redusere avhengighet av fossile ressurser og bidra til en karbon-nøytral og grønn fremtid. Prosjektet fokuserer på anvendelser av robust og kompakte nøkkelkomponenter og effektive kaskadeløsninger for varmepumper ved bruk av naturlige kuldemedier. Et hovedfokus for 2015 og 2016 var utvikling av en ny kompressorteknologi som kan levereprosessvarme opp mot 200'C, basert på standard komponenter fra bilindustrien. Det forventes at teknologien kan implementeres svært kostnadseffektiv siden komponentene allerede i dag blir masseprodusert. Prototypen testes i samarbeid med prosjektenes industripartnere og vise lovende resultater. Videre utvikling vil skjer gjennom oppfølgingsprosjekt DryF, finansiert av EUs Horizon2020 satsning, basert på en utvalgt industriell case-studie, og som end del av FME HighEFF. I 2016-2017 ble et nytt konsept for hydrokarbon baserte varmepumper til produksjon av het-vann (opp til 120'C) designet, installert og igangkjørt. Resultater viser at spillvarme kan oppgraderes fra 20'C til opp mot 120'C. Utprøving og utviklingen skjer i tett samarbeid med leverandør- og sluttbrukerindustrien og resultater publiseres av PhD. Potensialet for hybrid-varmepumper (ammoniakk-vann) er evaluert for flere industrielle case. De kan levere termisk energi opp mot 120'C og samtidig utnytte temperatur glidningen for termisk tilpasning til varmekilde/-sluk. HeatUp utdanner både sommer-, prosjekt-, master- and PHD-studenter. Sammen med DTU og DTI har HeatUp arrangert en workshop om høytemperatur varmepumper, med fokus på: markedspotensial, utvikling, utfordringer; forskningsaktiviteter og prosjekter; produkter i markedet og studier av installerte anlegg. Industripartnerne i HeatUp representerer viktige norske industrisektorer: Statoil ASA (olje og gass), Statkraft Varme AS (fjernvarme), Hydro Aluminium (metall), Vedde AS (akvakultur) og Mars Inc. (næringsmidler og fòr). Leverandør industrien er representert ved inkind bidrag fra Epcon Evaporation Technology AS, Cadio AS og Hybrid Energy. SINTEF Energi AS er prosjekt ansvarlig for HeatUP. Kontakt: Christian.Schlemmminger@sintef.no og Petter.Neksa@sintef.no Mer informasjon: http://www.sintef.no/projectweb/heatup/

-

Heat pumping is the third largest source of renewable energy in Norway, surpassed only by hydropower and bioenergy. In 2007 a revised projection for 2020 predicted an additional profitable potential of 10-14 TWh. SINTEF and NTNU have played a major role internationally in the development of presently commercially available hot water heat pumps with natural working fluids and this technology is now in the growth phase internationally. In order to transfer the recent rapid growth of low temperature heat pumping technologies to higher temperature applications, including industrial steam production, new technology is needed. HeatUP will focus on the utilisation and upgrading of industrial surplus heat. There are two main reasons for this: One is the above mentioned availability of low cost low temperature heat. The second reason is the high number of annual operation hours of industrial plants, often approaching 8000 operating hours per year. This high utilisation of installed capacity will increase the likelihood of acceptable payback time for heat pumping investments. A number of Norwegian process industries require large amounts of heat in the temp. range 80-250°C, while surplus heat is often available in the lower temperature range of 30-40ºC. HeatUp will address high temperature heat pumping in these industries, where the more specific knowledge needs have been identified: -New concepts for high temp., high capacity heat pumps for steam production and high temp. (pressurised) water heating, e.g. district heating or service water. How to design such systems and how to adapt them into practical use. -Knowledge about how to design robust and compact key components, efficient heat pump cascades for HTHPs utilising environmentally friendly working fluids. -Increased general knowledge and awareness on heat pumping technology and surplus heat utilisation. It has been pointed out by Enova that lack of knowledge is a major barrier to improved energy efficiency in Norway.