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A comparative study of sustainable industrial heat supply based on economic and thermodynamic factors


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Figure 1

Consumption related costs of heat production depending on the electricity price. The graph shows the consumptions related costs for electricity and fuels, the gas price is assumed with 25.0 EUR/MWh (basis lower heating value).Abbildung 1. Verbrauchsbezogenen Kosten der Wärmeproduktion in Abhängigkeit des Strompreises. Der Graph zeigt die verbrauchsbezogenen Wärmegestehungskosten bei einem Gaspreis von 25.0 EUR/MWh (bezogen auf den Heizwert).
Consumption related costs of heat production depending on the electricity price. The graph shows the consumptions related costs for electricity and fuels, the gas price is assumed with 25.0 EUR/MWh (basis lower heating value).Abbildung 1. Verbrauchsbezogenen Kosten der Wärmeproduktion in Abhängigkeit des Strompreises. Der Graph zeigt die verbrauchsbezogenen Wärmegestehungskosten bei einem Gaspreis von 25.0 EUR/MWh (bezogen auf den Heizwert).

Figure 2

Cumulative costs of heat for a gas turbine, a gas and steam turbine, a boiler and a heat pump system working with a COP of 4 from January 2013 until June 2016. The costs of heat of the heat pump system includes the investment costs, assumed with 500 EUR/kWQ and the consumption related costs.Abbildung 2. Kumulativen Wärmegestehungskosten einer Gasturbine, einer Gas- und Dampfturbine, einem Boiler und einer Hochtemperaturwärmepumpe mit einem COP von 4 in der Periode von Januar 2013 bis Juni 2016. Die Wärmegestehungskosten der Wärmepumpe setzen sich aus den verbrauchsbezogenen Kosten und den Kapitalkosten bei spezifischen Investitionskosten von 500 EUR/kWQ zusammen.
Cumulative costs of heat for a gas turbine, a gas and steam turbine, a boiler and a heat pump system working with a COP of 4 from January 2013 until June 2016. The costs of heat of the heat pump system includes the investment costs, assumed with 500 EUR/kWQ and the consumption related costs.Abbildung 2. Kumulativen Wärmegestehungskosten einer Gasturbine, einer Gas- und Dampfturbine, einem Boiler und einer Hochtemperaturwärmepumpe mit einem COP von 4 in der Periode von Januar 2013 bis Juni 2016. Die Wärmegestehungskosten der Wärmepumpe setzen sich aus den verbrauchsbezogenen Kosten und den Kapitalkosten bei spezifischen Investitionskosten von 500 EUR/kWQ zusammen.

Figure 3

Electricity and gas prices from January 2013 until June 2016 according to E-control (E-Control, 2016a, b)Abbildung 3. Strom- und Gaspreise von Jänner 2013 bis Juni 2016 (E-Control, 2016a, b)
Electricity and gas prices from January 2013 until June 2016 according to E-control (E-Control, 2016a, b)Abbildung 3. Strom- und Gaspreise von Jänner 2013 bis Juni 2016 (E-Control, 2016a, b)

Figure 4

Economically best technology for industrial heat production depending on the cumulative costs of heat for the period from January 2013 until June 2016 according to different investment costs. The graph shows that HTHP and GT-CC were economic best, the gas turbine and the boiler had in this period higher costs for heat production.Abbildung 4. Ökonomisch effizienteste Wärmebereitstellungsmethode in Abhängigkeit der kumulativen Wärmegestehungskosten von Jänner 2013 bis Juni 2016 bei unterschiedlichen spezifischen Investitionskosten. Das Diagramm zeigt, dass in der untersuchten Periode die Wärmepumpe und die Gas- und Dampfturbine die effizientesten industriellen Wärmebereitstellungsmethoden waren.
Economically best technology for industrial heat production depending on the cumulative costs of heat for the period from January 2013 until June 2016 according to different investment costs. The graph shows that HTHP and GT-CC were economic best, the gas turbine and the boiler had in this period higher costs for heat production.Abbildung 4. Ökonomisch effizienteste Wärmebereitstellungsmethode in Abhängigkeit der kumulativen Wärmegestehungskosten von Jänner 2013 bis Juni 2016 bei unterschiedlichen spezifischen Investitionskosten. Das Diagramm zeigt, dass in der untersuchten Periode die Wärmepumpe und die Gas- und Dampfturbine die effizientesten industriellen Wärmebereitstellungsmethoden waren.

Figure 5

Sensitivity analysis of the consumption related costs of a GT-CC and the HTHP with a COP of 4 depending on different electricity and gas prices.Abbildung 5. Sensitivitätsanalyse der verbrauchsbezogenen Kosten für eine Gas- und Dampfturbine und einer Wärmepumpe mit einem COP von 4 bei unterschiedlichen Energiekosten.
Sensitivity analysis of the consumption related costs of a GT-CC and the HTHP with a COP of 4 depending on different electricity and gas prices.Abbildung 5. Sensitivitätsanalyse der verbrauchsbezogenen Kosten für eine Gas- und Dampfturbine und einer Wärmepumpe mit einem COP von 4 bei unterschiedlichen Energiekosten.

Figure 6

Pay-back time of a heat pump system working with a COP = 4 substituting a gas and steam turbine process according to different investment costs over a period from January 2013 until June 2016. The diagram also shows the monthly savings by using a HTHP for industrial heat production instead of a GT-CC.Abbildung 6. Amortisationszeit eines Wärmepumpensystems mit einem COP von 4, wenn ein Gas- und Dampfturbinensystem substituiert wird. Der Graph zeigt die Amortisationszeiten und die monatlichen Einsparungen bei Einsatz einer Wärmepumpe bei unterschiedlichen spezifischen Investmentkosten in der Periode von Januar 2013 bis Juni 2016.
Pay-back time of a heat pump system working with a COP = 4 substituting a gas and steam turbine process according to different investment costs over a period from January 2013 until June 2016. The diagram also shows the monthly savings by using a HTHP for industrial heat production instead of a GT-CC.Abbildung 6. Amortisationszeit eines Wärmepumpensystems mit einem COP von 4, wenn ein Gas- und Dampfturbinensystem substituiert wird. Der Graph zeigt die Amortisationszeiten und die monatlichen Einsparungen bei Einsatz einer Wärmepumpe bei unterschiedlichen spezifischen Investmentkosten in der Periode von Januar 2013 bis Juni 2016.

Share of each heat production technology depending on the specific investment costs for the HTHP system in the period January 2013 to June 2016Tabelle 6. Erzeugungsrate der einzelnen Wärmebereitstellungsmethoden in Abhängigkeit unterschiedlicher spezifischen Investitionskosten der Wärmepumpe von Jänner 2013 bis Juni 2016

Specific investment1 000750500250EUR/kWQ
B0.00.00.00.0%
GT0.00.00.00.0%
GT-CC54.842.931.023.8%
HTHP45.257.169.076.2%

Thermodynamic results of the simulation of the industrial heat supply for gas turbine and gas and steam turbine combined cycle processesTabelle 4. Thermodynamische Ergebnisse der Simulation der industriellen Prozesswärmebereitung mit Gasturbine und Gas- und Dampfturbine

Gas turbine
ηel39.01%
ηheat45.21%
ηtotal84.22%
ζ49.82%
PFuel221MW
Pel86MW
Process100MW
Gas and steam turbine combined cycle
ηel46.49%
ηheat35.44%
ηtotal81.93%
ζ53.44%
PFuel282MW
Pel131MW
Process100MW

Nomenclature

CCapitalcapital costsEUR/a
CElelectricity priceEUR/MWh
CGasgas priceEUR/MWh
CpersonnelPersonal costs for operating the HTHPEUR/a
CServiceservice costs of the HTHPEUR/a
CoHGl&GT-CCcosts of heat for the GT and the GT-CC processEUR/MWh
CoHv, HTHpconsumption related costs of heat for the HTHPEUR/MWh
CoHf, HTHP(fixed) capital and operation costs of heat for the HTHPEUR/MWh
CoHHTHPcumulative costs of heat for the HTHPEUR/MWh
COPcoefficient of performance-
DCimputed depreciationEUR/a
eFueIspecific exergy of the fuelkJ/kg
ĖFuelexergy stream of the fuelMW
Ėinexergy stream of the heat source of the heat pumpMW
ĖQexergy stream of the heatMW
Δhdifference of specific enthalpy of the used process heatkJ/kg
HLlower heating valueMJ/kg
irequired rate of return%
I0acquisition costsEUR
ICimputed interestsEUR/a
Fuelmass flow of the fuelkg/s
steammass flow of the steam used as process heatkg/s
nexpected life timea
Pelelectric power of the compressorMW
PFuelpower of used fuel

referred to the lower heating value (LHV)

MW
Pratio SGT-800pressure ratio of the SGT-800 GT process-
Psteam, outminimum pressure level of the process steambar(abs)
heat streamMW
inheat source stream of the heat pumpMW
QProcessprocess heatMWh
processheating power used as process heatMW
RWliquidity receiptsEUR
T0environmental temperature°C
TFeedwaterfeedwater temperature of the used process steam°C
TQtemperature of the heat°C
TSGT-800, outturbine outlet temperature of the SGT-800 GT process°C
Tsteam, outoutlet temperature of the used process steam°C

General performance assumptions for key process componentsTabelle 1. Leistungsangaben und Wirkungsgrade wichtiger Prozesskomponenten

ParameterValueUnit
ηCompr0.80-
ηmotor0.97-
ηSGT-8000.39-
pratio SGT-80021.4 : 1-
TSGT-800, out551°C

Technological setting for the heat supply processes for a paper millTabelle 2. Technische Parameter zur Prozesswärmebereitung in der Papierindustrie

ParameterValueUnit
TFeedwater120°C
T Steam, Out142°C
p Steam, out3.8bar(abs)
Δh2232kj/kg
Steam44.8kg/s
process100MW

Assumptions and calculations for modelling the economic model of the capital related costs of heat productionTabelle 3. Annahmen und Kalkulationen für das ökonomische Model zur Berechnung der Kapitalkosten der Prozesswärmebereitung

ParameterABCDUnit
Specific acquisition costs1 000750500250EUR/kWQ
I0100 000 00075 000 00050 000 00025 000 000EUR
RW0EUR
n20

(Verein deutscher Ingenieure, 2003)

A
t6 000H
i5.0%
QProcess600 000MWh/a
CPersonnel40 000EUR/a
CService10 000EUR/a
DC5 000 0003 750 0002 500 0001 250 000EUR/a
IC2 500 0001 875 0001 250 000625 000EUR/a
CoHf, HTHP12.589.466.333.21EUR/MWh

Simulation results for the industrial heat pump system assuming three different COP situationsTabelle 5. Simulationsergebnisse für die industrielle Wärmepumpe bei drei unterschiedlichen COP’s

Heat pump
Tevap50.0°C
in69MW
Pel33MW
Process100MW
COP3.0-
ζHP59.57%
Tevap75.0°C
in77MW
PeI25MW
Process100MW
COP4.0-
ζHP70.15%
Tevap90.0°C
in82MW
Pel20MW
Process100MW
COP5.0-
ζHP78.35%

Greek Letters

ζexergetic efficiency of the GT and GT-CC process-
ζHPexergetic efficiency of the heat pump system-
ηComprisentropic efficiency of the compressor-
ηelnet electric efficiency of the GT process

referred to the lower heating value (LHV)

-
ηheatheat utilization efficiency of the process

referred to the lower heating value (LHV)

-
ηmotorconversion efficiency from the motor-
ηWSGT-800gross efficiency of the SGT-800 GT process

referred to the lower heating value (LHV)

-
ηtotaltotal fuel utilization efficiency-
eISSN:
0006-5471
Idioma:
Inglés
Calendario de la edición:
4 veces al año
Temas de la revista:
Life Sciences, Ecology, other