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  6. Energieintegration und Optimierung von Energiesystemen Energieintegration und Optimierung von Energiesystemen

Energieintegration und Optimierung von Energiesystemen Von effizienten Prozessen hin zu einer klimaneutralen Industrie

Um die Dekarbonisierung der Industrie zu beschleunigen, entwickelt die Forschungsgruppe Energieintegration und -optimierung durch angewandte Forschung und technische Dienstleistungen praxisnahe und wirtschaftlich tragfähige Lösungen für Prozesse, Industriestandorte und regionale Energiesysteme. Wir verbinden Prozessintegration, Simulation und Optimierung, um Wärmerückgewinnungssysteme, Wärmepumpen, thermische Netze, erneuerbare Energien und CO₂-Abscheidungsanlagen systematisch zu integrieren.

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Unsere Themen in diesem Forschungsschwerpunkt

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Prozessintegration und Pinch-Analyse

Pinch Analysis

Industrielle Prozesse benötigen häufig erhebliche Energiemengen für die Beheizung und Kühlung. Mithilfe von Prozessintegration und der Pinch-Analyse ermitteln wir den minimalen Energiebedarf, identifizieren Potenziale zur Wärmerückgewinnung und optimieren die Versorgung mit verschiedenen Energieträgern. In Zusammenarbeit mit dem Bundesamt für Energie (BFE) betreiben wir den PinCH-Stützpunkt und fördern die Anwendung der Pinch-Analyse in der Schweizer Industrie.

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Ist-Zustandsanalyse mit Feldmessungen
Eine zuverlässige Analyse setzt ein umfassendes Verständnis der relevanten Prozesse voraus: Wir erstellen Massen- und Energiebilanzen und charakterisieren die Prozess- und Versorgungssysteme basierend auf Betriebsdaten, Prozessdokumentationen und, falls erforderlich, gezielten Messungen vor Ort. Dies bildet die Grundlage für die anschliessende Analyse und ermöglicht es bereits in dieser Phase, Potenziale für betriebliche Verbesserungen zu identifizieren.

Pinch-Analyse mit der PinCH-Software
Bevor technische Lösungen entwickelt werden, werden die zugrunde liegenden Prozessanforderungen, Temperaturniveaus und betrieblichen Randbedingungen eingehend analysiert. Mithilfe der Pinch-Software und weiterer an der HSLU entwickelter Werkzeuge, bestimmen wir den minimalen Heiz- und Kühlbedarf, quantifizieren das Potenzial für Wärmerückgewinnung und bewerten die wirtschaftliche Tragfähigkeit alternativer Versorgungs- und Energieumwandlungssysteme.

Von der Analyse zu integrierten Lösungen
Auf Basis der Analyseergebnisse entwickeln wir Umsetzungskonzepte für Wärmerückgewinnung, Wärmeübertragernetzwerke, Wärmepumpen, thermische Speicher, erneuerbare Wärme sowie die Anbindung an thermische Netze. Ausserdem erstellen wir Konzepte zur energieeffizienten Integration von Prozessen wie der CO₂-Abscheidung.

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Prozess- und Systemsimulation

Process Simulation

Mit etablierten Simulationswerkzeugen, individuell entwickelten Modellen und Betriebsdaten analysieren wir Systeme von einzelnen Prozesseinheiten über ganze Industriestandorte bis hin zu regionalen Infrastrukturen. Die Modelle machen komplexe Wechselwirkungen sichtbar, unterstützen die Auslegung und den Betrieb effizienter, flexibler und CO₂-armer Lösungen. Sie bilden die Grundlage für technoökonomische Analysen und fundierte Investitionsentscheidungen.

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Prozessmodellierung und -simulation
Wir entwickeln Modelle, die Medien- und Energieströme sowie das relevante thermodynamische Verhalten von Prozessen und Komponenten abbilden. Je nach Anwendungsfall setzen wir etablierte Simulationswerkzeuge ein oder entwickeln kundenspezifische Modelle. Soweit möglich, werden die Modelle anhand von Betriebs- oder Versuchsdaten kalibriert und validiert.

Dynamische Simulation und Optimierung
Der Energiebedarf von industriellen Prozessen wird durch sich ändernde Produktionspläne, Umgebungsbedingungen und Energiepreise beeinflusst. Mithilfe dynamischer Modelle untersuchen wir den Teillast- und instationären Betrieb, die Wechselwirkungen zwischen Systemkomponenten und thermischen Speichern. Darauf aufbauend optimieren wir die Systemauslegung, Regelungsstrategien und Flexibilität des Gesamtsystems.

Thermische Netze und regionale Energiesysteme
Wir modellieren und analysieren thermische Netze – von Systemen zur Versorgung einzelner Standorte oder Unternehmensgruppen bis hin zu Fernwärme- und Fernkältenetzen. Dabei untersuchen wir, wie verfügbare thermische Energiequellen, insbesondere Abwärme, zur Deckung des Wärme- und Kältebedarfs genutzt werden können und wie diese Systeme effizient ausgelegt und betrieben werden können.

CO₂-Abscheidung und Systemintegration
Wir simulieren Prozesse zur CO₂-Abscheidung und -Konditionierung sowie deren Integration in industrielle Energiesysteme, Transport-, Nutzungs- und Speicherinfrastrukturen. Mithilfe technoökonomischer Analysen vergleichen wir zentralisierte, clusterbasierte und dezentrale Konzepte auf Unternehmens- und regionaler Ebene.

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Wärme- und Kältesysteme

Heat Pump

Wärme- und Kälteversorgung sind eng miteinander verbunden: Wärmepumpen, Kältemaschinen und Kälteanlagen übertragen Wärme zwischen unterschiedlichen Temperaturniveaus und können dadurch Wärme und/oder Kälte bereitstellen. Wir entwickeln, analysieren und optimieren solche Systeme für industrielle Prozesse und technische Produkte. Durch die Kombination aus thermodynamischer Analyse, Systemintegration und experimenteller Validierung entwickeln wir effiziente und CO₂-arme Lösungen für individuelle Anwendungen und thermische Netze.

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Wärmepumpen, Kältemaschinen und Kälteanlagen
Wir untersuchen und entwickeln Systemkonfigurationen für industrielle und Hochtemperatur-Wärmepumpen, Kältemaschinen, Kälteanlagen sowie Technologien zur Dampferzeugung, beispielsweise die mechanische Brüdenverdichtung (Mechanical Vapor Recompression, MVR). Dabei bewerten und integrieren wir die jeweiligen Kreisprozesse, Komponenten und Kältemittel anhand ihrer Effizienz, Leistungsfähigkeit, Betriebsgrenzen und ihres Teillastverhaltens, um für jede Anwendung die am besten geeignete Lösung zu identifizieren.

Integration in Prozesse, Produkte und thermische Netze
Die Systemeffizienz lässt sich durch die sinnvolle Kopplung von Wärmequellen und Wärmesenken verbessern. Durch die Analyse von Temperaturniveaus und Lastprofilen lassen sich Potenziale für die gleichzeitige Bereitstellung von Wärme und Kälte, die Wärmerückgewinnung und die Wärmespeicherung aufdecken. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die Integration geeigneter Massnahmen in industrielle Prozesse und Produkte, in industrielle thermische Netze sowie in Fernwärme- oder Fernkältesysteme.

Experimentelle Untersuchung und Validierung
Mit der Laborinfrastruktur der HSLU können Wärme- und Kältesysteme mit Leistungen von bis zu 600 kW unter repräsentativen Betriebsbedingungen untersucht werden. Dabei erfassen wir Kenngrössen wie Heiz- und Kälteleistung, Effizienz, Betriebsbereich und Teillastverhalten. Bei Bedarf führen wir Messungen auch an Standorten von Partnern durch. Die gewonnenen Daten dienen der Validierung von Modellen, der Bewertung der Systemleistung und der Ableitung von Massnahmen zur weiteren Optimierung.

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Prozess- und Produktentwicklung

Product Development

Wir unterstützen Unternehmen bei der Optimierung industrieller Prozesse und der Entwicklung energieeffizienter Produkte – von der initialen Analyse bis hin zu experimentell validierten Lösungen. Durch die Kombination von Konzeptentwicklung, Simulation und experimenteller Erprobung überführen wir identifizierte Anforderungen in praxisnahe Konzepte, Prototypen und entwickeln konkrete Umsetzungspfade.

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Analyse von Prozessen und Produkten
Der Optimierungsprozess beginnt mit einer systematischen Analyse der bestehenden Prozesse, Produkte und vergleichbarer Lösungen auf dem Markt. Mithilfe von Dokumentationen, Betriebsdaten und gezielten Messungen erfassen wir die technischen Anforderungen, Betriebsbedingungen, Wechselwirkungen zwischen Komponenten sowie die relevanten Stoff- und Energieströme. Auf dieser Grundlage identifizieren wir Effizienzpotenziale und definieren messbare Optimierungsziele.

Konzeptentwicklung und Systemintegration
Wir entwickeln und vergleichen Konzepte für neu gestaltete Prozessschritte, Wärmerückgewinnung, Wärme- und Kältesysteme sowie neue Komponenten- und Systemkonfigurationen. Simulationen und technoökonomische Analysen unterstützen die Auslegung und helfen dabei, Lösungen zu identifizieren, die Energieeffizienz, technische Machbarkeit und wirtschaftliche Tragfähigkeit miteinander verbinden.

Prototypenentwicklung und experimentelle Validierung
Wir überführen vielversprechende Konzepte in funktionsfähige Modelle, Prototypen oder experimentelle Anlagen. Mithilfe gezielt konzipierter Versuche und Prüfstände bewerten wir Effizienz, Betriebsverhalten und Eignung diverser Regelungsstrategien. Die Ergebnisse werden zur Weiterentwicklung der Auslegung, zur Modellvalidierung sowie als Entscheidungsgrundlage zur Skalierung oder industriellen Umsetzung eingesetzt.

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Aktuelle Projekte der Forschungsgruppe

  • Carbon Capture, Utilization and Storage

  • PINCH-Messkoffer

  • SWEET DeCarbCH TEVT

Benjamin Hung Yang Ong

Dozent

+41 41 349 32 02

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Donald Olsen

Dozent

+41 41 349 35 37

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FH Zentralschweiz

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