Development of Methods for the Evaluation of Continuous and Non-Continuous Industrial Processes and Cost-Efficient Thermal Energy Storage Integration

Energiee zienz in industriellen Prozessen spielt eine gro e Rolle bei der Reduktion von Treibhausgasemissionen. In der Vergangenheit wurden Methoden und Werkzeuge entwickelt, die es erm oglichen Potentiale zur W armer uckgewinnung zu identi zieren und die zur Entscheidungshilfe f ur Investitionen in W armer uckgewinnungsequipment herangezogen werden k onnen. W armer uckgewinnung verringert den Gesamtenergiebedarf und damit den Verbrauch fossiler Brennsto e, die haupts achlich als Prim arenergietr ager in der Industrie eingesetzt werden. Jedoch wurde erst in den letzten Jahren mehr Aufmerksamkeit auf die W armer uckgewinnung in diskontinuierlichen Prozessen und Batchprozessen gerichtet. Diese Prozesse wurden vernachl assigt, da angenommen wurde, dass sie aufgrund eines geringeren Energiebedarfs niedrigere Einsparpotentiale aufweisen. Dies gilt jedoch nicht f ur alle diskontinuierlichen Prozesse und Batchprozesse. Beispielsweise im Lebensmittelbereich und insbesondere in Brauereien und Molkereibetrieben besteht ein hoher W armebedarf. Diskontinuierliche Prozesse und Batchprozesse bieten oft Potentiale f ur die Integration von thermischen Energiespeichern zur zeitlichen Entkopplung von W armequellen und W armesenken und damit f ur eine erh ohte W armer uckgewinnung. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde ein Framework f ur Prozessintegration entwickelt, mit dem thermische Energiespeicher in diskontinuierliche Prozesse und Batchprozesse integriert werden k onnen. Das Framework basiert auf einer Mixed-Integer Nonlinear Programming Superstructure-Formulierung f ur die Synthese von W armetauschernetzwerken, die f ur thermische Energiespeicher erweitert wurde. Diese Formulierung ist jedoch selbst f ur kleinere Probleme mit wenigen Prozessstr omen und Zeitintervallen schwer zu l osen. Um diesen Nachteil zu uberwinden, wurde ein Linearisierungsverfahren vorgestellt, das alle nichtlinearen Terme in der Superstructure-Formulierung eliminiert. Die Superstructure kann anschlie end wesentlich schneller gel ost werden. Au erdem wurden Ma - nahmen vorgestellt, die den L osungsraum der Formulierung einschr anken und so zu einer weiteren Reduktion der Rechenzeit f uhren. Vereinfachende Modellannahmen und Problemreduktionen wurden ebenfalls vorgestellt, die zur L osung gr o erer Probleme von industriellem Ma stab erforderlich sind. In die W armetauschernetzwerke k onnen mehrere unterschiedliche Arten von thermischen Energiespeichern integriert werden. Die zwei Haupttypen sind Speicher mit variabler Masse und xer Temperatur, wie Mehrtanksysteme oder Schichtspeicher, und Speicher mit xer Masse und variabler Temperatur, wie Latentw armespeicher, Wirbelschichtregeneratoren, Druckwasserspeicher und Feststo speicher im Allgemeinen. Au erdem wurde ein zweistu ges Verfahren vorgestellt, das die Integration von Speichern mit xer Masse und variabler Temperatur vereinfacht. In der ersten Stufe wird ein Mixed-Integer Nonlinear Programming Modell basierend auf Composite Curves zur Identi kation optimaler Speichergr o en gel ost. In der zweiten Stufe wird die Superstructure-Formulierung mit den im ersten Schritt xierten Speichergr o en f ur die W armetauschernetzwerksynthese gel ost. Die Wirksamkeit der vorgestellten Methoden wurden anhand verschiedener Fallbeispiele aus der Literatur demonstriert. Zudem wurde anhand eines realen Molkereibetriebs gezeigt, dass mit dem vorgestellten Framework Probleme von industriellem Ma stab gel ost werden k onnen. Energy e ciency in industrial processes plays a major role for the mitigation of greenhouse gas emissions. In the past methods and tools have been developed that allow to identify potentials for heat recovery and for decision support when it comes to investments in heat recovery equipment. Heat recovery reduces the overall energy demand and thus decreases consumption of fossil fuel which are mainly used as primary energy sources in industry. However, only in recent years more attention has been directed towards heat recovery in non-continuous and batch processes. These processes were somewhat neglected as they were believed to have lower saving potentials due to lower energy demand which is not true for all non-continuous and batch processes. For example the food sector, especially brewing and dairy plants, has high heat demands. Non-continuous and batch processes often yield potentials for the integration of thermal energy storages for temporal decoupling of heat sources and heat sinks and thus for increasing heat recovery. Within the present thesis a framework for process integration was developed with the ability to integrate thermal energy storages into non-continuous and batch processes. The framework is built around a Mixed-Integer Nonlinear Programming superstructure formulation for heat exchanger network synthesis that is extended for thermal energy storages. This formulation, however, is hard to solve even for relatively small problems with only a few process streams and time intervals. To overcome this drawback, a linearization procedure was presented that eliminates all nonlinear terms in the superstructure formulation which can then be solved signi cantly faster. Also, measures were presented that tighten the formulation and yield further reductions in computational time. Simpli cations such as model assumptions and problem reductions are also presented that are necessary to solve large industry-scale problems. Several di erent types of thermal energy storages can be integrated into the heat exchanger networks. The two main types are storages with variable mass and fixed temperature such as multi-tank systems or strati ed tanks, and fixed mass and variable temperature storages such as latent heat thermal energy storages, uidized bed regenerators, pressurized water storages or solid matter storages in general. Also, in order to simplify the integration of xed mass and variable temperature storages a two-step procedure was proposed. The rst step is a novel Mixed- Integer Nonlinear Programming formulation for storage sizing that is based on Composite Curves. The second step is a superstructure formulation for heat exchanger networks synthesis using the xed storage sizes obtained in the rst step. The proposed features of the framework were demonstrated using various example cases from literature. Also, a real dairy plant was used to demonstrate capabilities for solving large-scale problems.