工厂能源管理新趋势

流程工业企业应从能源需求侧管理中受益

作者:Hans-Jürgen Bittermann 文章来源:PROCESS《流程工业》 点击数:14 发布时间:2019-09-02
当太阳能和风能成为主要的供应能源时,流程工业企业也必须发挥自己应有的作用。现在需要的是能源储存、分配和管理的新方案,只要满足了某些前提条件的企业是能够从能源需求侧管理(缩写为DSM)中受益的。
工厂能源管理新趋势

不久前德国的核电厂已停止运行,德国也不想在未来使用煤电。太阳能和风能发电是德国的最佳选择,但其发电能力不像普通发电厂那样可靠。因此,用户方的需求应该是可控的。

工厂能源管理新趋势

所谓的DSM就是能源供应方式的转变。到目前为止,能源供应方式都是由工业企业向电力供应商提出生产的电力需求,并由较高的连续性基本负荷的企业通过谈判获得更加经济电价。

随着可再生能源利用的不断增加,长期以来形成的供求关系正在发生转变,不再是按照工业企业的用电需求生产电力了,而是按照太阳能和风能的发电可能性来生产电力。因此,如今就需要更加灵活的工业生产,并由能源供应商来提供资金。

可再生能源的诞生会在哪些方面带来变化呢?德国全年平均的电力负荷不到70 GW。联邦政府的绿皮书假设德国工业节约电力的潜力在5~15 GW之间,国际/德国能源委员会认为这一数据过于乐观(他们的假设只有3 GW)。

另外,效率和灵活性之间通常存在着目标冲突,在一些情况下,企业的设备已进行了优化,以便任何生产条件下顺利完成生产任务,反复的启动和停止等系统性操作都会降低流程设备的生产效率

灵活的DSM

通常情况下,辅助负荷管理是依靠降低价格昂贵的电力峰值,来降低电网收费。而DSM是根据用电负荷来灵活地使用供电系统的电力能源,这也为企业开创了赢得额外收益的机会。随着将柔性用电负荷扩大到500 KW,DSM可以为企业带来可观的经济效益,例如为西门子公司预计每年带来的经济效益就高达4万欧元。因此,电力能源的DSM能够降低企业的运营成本、保障企业的电力供应安全性。

DSM的受益者

在DSM的框架内,电气设备的灵活工作运行的重要前提条件就是电力能源的缓冲储存,即能在生产过程中吸收储存暂时过剩的电力能源。能够承担这一任务的设备有蓄电池、综合能源的电动汽车、蓄热或者蓄冷器、压缩空气储气瓶和原材料仓库(例如筒仓、储气罐以及水池等)。

玻璃工业、冶金工业以及化工企业最适合在电力能源的使用中采用DSM,因为生产玻璃、铝合金或者氯碱电解等都是耗电量非常大的能源密集型生产方式。

Covestro公司在德国有4个这样的电解氯生产基地,而且Covestro的化工生产过程也是连续性的满负荷生产过程,其整个过程环环相扣,没有可以存储的中间成品。电解氯生产过程中的波动只需要通过蓄能器或者氯存储器来吸收多余的电力能源。在Cheneflex研究项目中,研究人员研究了与负载有关的氯碱电解生产工艺,并对辅助利用液氯存储罐来实现DSM的可行性进行了评估。

不仅是能源密集型的流程工艺过程可以利用DSM来完成电力能源转换,在诸如制冷工艺过程、压缩空气系统和通风换气系统中按照DSM的方式为泵、空压机和鼓风机等设备提供电力也是非常有意义的。

企业在实际采用电力能源的DSM时需要应对诸多挑战。Wacker公司为化工行业提供各种原材料和化工产品,也为半导体工业和太阳能工业企业提供多晶硅。而这类产品的生产是能源和电力密集型的生产过程。仅在德国一地,该公司的生产厂消耗的电力能源就超过了4 TWh/a,这相当于德国净电力消耗的0.8%左右。

Wacker公司生产和物流领域中的能源采购主管Christian Essers先生说:“德国高昂的电价使智能化和前瞻性的电力负荷控制对于我们来说至关重要。Wacker公司是最早承诺逐步减少电力消耗,并明显提高电网供电稳定性的企业之一。”

 “一体化生产基地的物料流和流程工艺环环相扣,任何一个环节出了问题都会对整个生产网络产生影响,从而影响流程设备的利用率和固定费用覆盖率等重要参数。”  Chrisdian Essers先生,Wacker化工集团公司
“一体化生产基地的物料流和流程工艺环环相扣,任何一个环节出了问题都会对整个生产网络产生影响,从而影响流程设备的利用率和固定费用覆盖率等重要参数。”
Chrisdian Essers先生,Wacker化工集团公司

DSM和联合供电系统

如今,德国Burghausen市的总厂和Nünchritz市的化工厂也参与到这一试点项目中,并在两个生产基地进行进一步审核灵活性用电的控制措施。“这对我们的职工来讲是一个巨大的挑战,因为我们的一体化生产基地有着很高集成度的生产工艺流程。” Essers先生说。

“这些一体化生产基地的物料流和流程工艺环环相扣,任何一个环节出了问题都会对整个生产网络产生影响,从而影响流程设备的利用率和固定费用覆盖率等重要参数。”Essers先生说道。因此这是一个非常复杂的试点项目,而且只能在有限的情况下通过整个生产网络的优化来达到试点项目的目的。

创新性的电力能源储存可能性是一个非常令人激动的话题,Wacker公司也积极参与了与此有关的活动。“我们目前正在尝试以蓄电池储存电力为主、以蓄热系统或者热力系统的储能技术为辅的不同的能源储存方法。例如我们在德国Burghausen市的生产厂就利用这些系统实现了更加灵活、高效的热电联产,从而也为灵活的控制电力负荷创造了更多机会。”Essers先生说。

工艺过程的综合使用

利用DSM来平衡能源时不仅只是调整产量,而且还要关注整个流程工艺生产过程中不同种类能源或者生产过程之间的整个切换和转换过程。综合性的工艺过程是能源转型时有效措施,生产中可以在供电高峰和低电价的时间段内,开始能源密集型的流程工艺生产,在太阳能和风能供电不足的时间段内转向非能源密集型的生产过程。能源经济研究协会利用玻璃、造纸和水泥行业为例进行了尝试。研究人员首先对每一个流程工艺步骤的“有利用燃料加热现象存在”这一标准进行了检验(已经实现了电气化的工艺过程不在其中)。如果有该现象存在,则都可以利用电力能源生产热能的方法来替代燃料产热。

有多种多样利用电力生产热能的技术方法,例如电阻加热、红外线加热、电感、电介质加热、电弧、等离子、电子以及激光加热等等。调查研究表明,现有的加热技术能够满足玻璃、造纸和水泥工艺所需的所有加热温度的要求。但是在实践中,这些加热技术的应用还有许多障碍需要克服。

细节决定成败

在能源转型的过程中,DSM也能为能源密集型企业带来很高的经济效益。但是,储存电力能源的设备是利用DSM的前提条件。化工领域中的企业只有通过费时费力的整体性优化实现复杂的综合性一体化生产,才能让流程设备运营商经济的、成功的实现DSM。

专访Messer集团公司副总裁Christoph Erdmann博士

Messer集团公司副总裁Christoph Erdmann博士
Messer集团公司副总裁Christoph Erdmann博士

PROCESS:在2018年5月的“卓越能源论坛”中,您介绍了在空气分离设备中采用DSM的经验。为什么这类流程设备最适合采用DSM?

Christoph Erdmann:主要是这类流程设备的电力消耗很大,在一般情况下,欧洲大多数的空气分离设备的电力负荷都在10~25 MW之间。大的电力消耗对电力能源供应商来讲是很有吸引力的。大多数空气分离设备除了生产管道供应的气体产品之外,还生产用钢瓶保存的液化气体(例如液态氧、液态氮和液化氩气)。在特定的条件下,当电力能源供应不足时,甚至可以在零电力消耗的情况下完成气体的液化。当电力供应充足时,又可以全力生产,将生产出来的液化气储存起来。这类企业使用DSM的积极性很大程度上取决于它可以储存多少的液化气产品。

PROCESS:在采用DSM的过程中会遇到哪些挑战?

Christoph Erdmann:企业必须有更大储存容积的储罐,以便在低电价时间段能够短时间的生产大量的液态气体,这就需要高性能的储罐设备。另外,灵活的空气分离运行方式使得空气分离设备并不总是在最佳工作点处工作运行。能源供应商必须采取一些激励措施,补偿平衡流程设备运营商在这种情况下提高了的运营成本。

PROCESS:采用DSM的激励措施是否足够?

Christoph Erdmann:很长时间以来西班牙就有了平衡电价,因此可以在电费较低的时候利用大型设备经济高效地生产常规的液化气。我们在西班牙有几个采取DSM的生产基地。在德国,DSM的目的是激励企业在特定时间段内减产或者不生产。但就Messer公司的观点而言,这样的激励机制远远不够,企业的积极性没有被完全调动起来。能源供应商必须创造出更好的激励机制,使德国工业气体行业在DSM中受益。