System studies of the use of industrial excess heat

• Energy, materials, and by-products, can be exchanged between companies, having positive effects in the form of improved resource efficiency, environmental benefits, and economic gains. One such energy stream that can be exchanged is excess heat, that is, heat generated as a by-product during, for example, industrial production. Excess heat will continue to play an important role in efforts to reduce greenhouse gas (GHG) emissions and improve energy efficiency. Using excess heat is therefore currently emphasized in EU policy as a way to reach EU climate targets.This thesis examines the opportunities of manufacturing industries to use industrial excess heat, and how doing so can positively affect industry, society, and the climate. Since different parts of the energy system are entangled, there is an inherent complexity in studying these systems and introducing excess heat in one part of the energy system may influence other parts of the system. This analysis has accordingly been conducted by combining studies from various perspectives, by applying both quantitative and qualitative methods and covering a broad range of aspects, such as technical possibilities as well as climate, policy, economics, and resource aspects.The results identify several opportunities and benefits accruing from excess heat use. Although excess heat is currently partly used as a thermal resource in district heating in Sweden, this thesis demonstrates that significant untapped excess heat is still available. The mapping conducted in the appended studies identifies excess heat in different energy carriers, mainly low-temperature water. Analysis of excess heat use in different recovery options demonstrated greater output when using excess heat in district heating than electricity production. Optimizing the trade-offs in excess heat used in a district heating network, heat-driven cooling, and electricity production under different energy market conditions while minimizing the system cost, however, indicated that the attractiveness of excess heat in district heating depends on the type of heat production in the system. Viewing excess heat as a low-cost energy source also makes it economically interesting, and creates opportunities to invest in excess heat-recovery solutions. Excess heat is often viewed as CO2 neutral since unused excess heat may be regarded as wasted energy. The GHG mitigation potential of using excess heat, however, was found to be ambiguous. The appended studies demonstrate that using excess heat for electricity production or for applications that reduce the use of electricity reduces GHG emissions. The effects of using excess heat in district heating, on the other hand, depend on the energy market development, for example, the marginal electricity production and marginal use of biomass, and on the type of district heating system replaced. The interviews performed reveal that energy policy does influence excess heat use, being demonstrated both to promote and discourage excess heat use. Beyond national energy policies, internal goals and core values were identified as important for improved energy efficiency and increased excess heat use.

• Energi, material och biprodukter kan utbytas mellan företag och därmed leda till positiva effekter i form av förbättrad resurseffektivitet, miljövinster och ekonomiska vinster. Ett sådant energiflöde som kan nyttjas är överskottsvärme, det vill säga, värme som genereras som en biprodukt vid till exempel industriell produktion. Överskottsvärme kommer att fortsätta att spela en viktig roll i arbetet med att minska utsläppen av växthusgaser och öka energieffektiviteten och lyfts därför fram i EU policy som ett sätt att nå klimatmålen.Denna avhandling undersöker möjligheterna för den tillverkande industrin att använda industriell överskottsvärme och hur detta kan medföra positiva bidrag till industrin, samhället och klimatet. Eftersom olika delar av energisystemet påverkar varandra så finns en inneboende komplexitet i att studera dessa system. Användningen av överskottsvärme i en del av energisystemet kan alltså påverka andra delar av systemet. Denna analys har därför gjorts genom att kombinera studier från olika perspektiv, genom användning av både kvantitativa och kvalitativa metoder och genom att täcka in ett brett spektrum av aspekter såsom tekniska möjligheter, och klimat-, policy-, ekonomiska- och resursaspekter.Resultaten visar flera möjligheter med, och fördelar som kommer från, användning av överskottsvärme. Även om överskottsvärme redan idag delvis används som värmekälla i fjärrvärme så visar denna avhandling att tillgången på outnyttjad överskottsvärme fortfarande är betydande. Kartläggningen som genomfördes identifierar överskottsvärme i olika energibärare, i huvudsak i vatten med låg temperatur. Användningen av överskottsvärme analyserades för olika användningsalternativ och visade på en större output vid användning i fjärrvärmesystemet än när den användes för elproduktion. När fördelningen av användning av överskottsvärme mellan utnyttjande i fjärrvärmesystemet, för produktion av kyla eller el optimerades under olika energimarknadsvillkor, med syfte att minimera systemkostnaden, visade det sig dock att effekterna från användning av överskottsvärme i fjärrvärme beror på typen av befintlig värmeproduktion i systemet. Om man ser på överskottsvärme som en billig energikälla skapas en ekonomisk möjlighet att investera i olika lösningar för överskottsvärmeanvändning. Överskottsvärme ses ofta som CO2 neutral eftersom outnyttjad överskottsvärme kan ses som bortkastad energi. Möjligheten för minskning av växthusgaser vid användning av överskottsvärme visade sig dock vara tvetydig. Avhandlingens studier visar att användning av överskottsvärme för elproduktion och för tillämpningar som minskar elanvändningen minskar utsläppen av växthusgaser. Effekterna från överskottsvärme i fjärrvärme beror däremot på energimarknadens utveckling, såsom framtida elproduktion och alternativanvändning av biomassa, och på vilken typ av fjärrvärmeproduktion som ersätts. Intervjuerna som utförts visar att styrmedel påverkar överskottsvärmeanvändningen. Styrmedel visade sig både främja och missgynna användningen av överskottsvärme. Utöver nationella styrmedel så lyftes även interna företagsmål och kärnvärden fram som viktiga för ökad energieffektivitet och ökad användning av överskottsvärme.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Naturresursteknik -- Energisystem (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Environmental Engineering -- Energy Systems (hsv//eng)

Nyckelord

excess heat

waste heat

surplus heat

energy systems

greenhouse gas emissions

energy efficiency

energy policy

system studies

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)