Heat storage of industrial excess heat at Bharat Forge Kilsta in Karlskoga : Heat loss simulation and investigation of regulation

I takt med en ökande befolkning ökar användningen av energi. Samtidigt som energianvändandet ökar, avvecklas kärnkraftverken och därmed ökar kolkraftverkens användning vilket leder till utsläpp av främst koldioxid. Många industrier släpper ut mängder av överskottsvärme i naturen utan att den återanvänds. Ett sätt att ta tillvara på överskottsvärme, som annars går till spillo, är att lagra den. Om värme kan lagras och användas vid en annan tidpunkt kan den ersätta andra energikällor och onödiga utsläpp kan förhindras. Det finns idag tre olika metoder att lagra värmeenergi. Dessa är sensibelt värme, latent värme och kemisk värme. Inom varje metod finns olika system som beskrivs vidare i denna rapport. Bharat Forge Kilsta Kilsta är ett smidesföretag i Karlskoga. Deras smidesugn avger stora mängder värme som dels går till lokaluppvärmning men en del av värmen går till spillo. Skulle överskottsvärmen, som nu går till spillo, kunna lagras på ett effektivt sätt skulle både miljömässiga och kostnadsmässiga besparingar kunna göras. Syftet med rapporten är att redogöra och jämföra olika värmelagringsmetoder i en litteraturstudie för att se vilken typ som passar för industriell överskottsvärme i fallet med Bharat Forge Kilsta. Målet är att översiktligt redovisa olika lagringsmetoder samt olika system inom dessa med avseende på lagringskapacitet och kostnad. Utifrån simulering och reglering av bergrumslager och ackumulatortankar kan en passande metod, med avseende på energidistribution och energieffektivitet samt kostnad, för det specifika fallet väljas. Den mest utvecklade och kommersiellt använda metoden är sensibelt värme, den latenta och kemiska värmelagringen är fortfarande i forskning- och utvecklingsstadiet då de är mer kostsamma. Val av lagringsmetod avgörs utifrån lagringskapacitet, lagringstemperatur, kostnad, geografisk placering samt lagringslängd. Sensibelt värme passar bäst till långtidslagring, vid lägre temperaturer och där lagringskapaciteten måste vara stor till ett lågt pris. Latent och kemisk värme passar bäst för högre temperaturer då värmeförlusterna är små och energidensiteten är hög, kostnaden för dessa är dock hög och de tillämpas enbart i liten skala än så länge. Ur litteraturstudien kunde vissa system uteslutas, de system som skulle passa en industri som Bharat Forge Kilsta var bergrum och ackumulatortank. Resultatet visade att bergrummen har störst värmeförluster jämfört med den totala energin, däremot är lagringskapaciteten större. För att garanterat tillgodose värmebehovet vid extremdagar är det mest lämpligt att använda bergrummen. Kostnadsmässigt är de befintliga tankarna bäst lämpade, däremot klarar de enbart tillgodose värmebehovet i sex timmar vid extrembelastning. Om de befintliga tankarna används som system och 200 m3 tanken tilläggsisoleras kan omkring 100 000 kr per år sparas, räknat med att förlusterna skulle ersätta inköpt fjärrvärme och att skillnaden i värmeförluster enbart sker vinterhalvåret. Återbetalningstiden var kortast för de befintliga takarna, 1,4 år medan en ny ackumulatortank hade längst återbetalningstid, 3,2 år.When the population increases also the energy use will rise. At the same time the nuclear power plants is decommissioned and the use of coal-fired power plants increases, which leads to large amount of mainly carbon dioxide emissions. Many industries get a lot of excess heat that is released in the nature instead of being reused. One way to reuse excess heat could be to store the heat in a suitable storage for later use. If the excess heat can be stored and be used at a different time it can replace other energy sources and decrease the emissions. Today there is three ways to storage heat, they are sensible heat, latent heat, and chemical heat. In each method there are different systems, these will be described further in this report. Bharat Fore is a large forging company in Karlskoga, Sweden. From their furnace a lot of heat is emitted, some of the heat is used to heat the buildings, but still a lot of excess heat goes to waste. The aim of this report is to compare different heat storage systems and see which one is best suited to industrial excess heat. The goal is to investigate if there is any heat storage method that is effective and cost-saving that fits a larger industry. The purpose of this work is to do a literature study to account and compare different heat storage methods to find the best suitable system for the case with Bharat Forge Kilsta. The goal is to present different storage methods and the different system for each method with respect of cost and storage capacity. From simulation and regulation find the best fitting method for the real case with respect of cost, efficient and storage capacity. The most developed and commercially used method is the sensible heat. Latent heat and chemicals are very costly and still in the research and development stage. Geographic location, using area and operating temperature is parameters that need to be considered when choosing heat storage system. Sensible heat is best suited for long-term storage, at lower temperatures and when the storage capacity needs to be large to a small cost. Latent and chemical heat is best suited for higher temperatures because the heat losses are small and the energy density is high and they are only applied in small scale for now. The result of the literature study showed that storage tanks and cavern storage is most fitting for the case with Bharat Forge Kilsta. The cavern has much larger heat loss compared to the total energy, however the storage capacity is much larger. To guarantee that the heat requirements when there are extreme days it is most appropriate to use the cavern as heat storage. From a coast view it is most fitting to use the already existing tanks, however they could only cater the heat requirement for six hours of heat peak when the production is not running. If the existing tanks is used as heat storage, and the 200 m3 tank will be additional insulated, if the heat loss, in the winter, is replaced with purchased district heating as much as 100 000 SEK per year could be spared. The payback time is shortest for the existing tanks, 1.4 years and almost 3.2 years for the new storage tank