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

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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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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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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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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