liu.seSearch for publications in DiVA
Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Electricity generation from low-temperature industrial excess heat—an opportunity for the steel industry
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.ORCID iD: 0000-0003-0360-6019
Linköping University, Department of Management and Engineering, Energy Systems. Linköping University, The Institute of Technology.
2014 (English)In: Energy Efficiency, ISSN 1570-646X, E-ISSN 1570-6478, Vol. 7, no 2, 203-215 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Awareness of climate change and the threat of rising energy prices have resulted in increased attention being paid to energy issues and industry seeing a cost benefit in using more energy-efficient production processes. One energy-efficient measure is the recovery of industrial excess heat. However, this option has not been fully investigated and some of the technologies for recovery of excess heat are not yet commercially available. This paper proposes three technologies for the generation of electricity from low-temperature industrial excess heat. The technologies are thermoelectric generation, organic Rankine cycle and phase change material engine system. The technologies are evaluated in relation to each other, with regard to temperature range of the heat source, conversion efficiency, capacity and economy. Because the technologies use heat of different temperature ranges, there is potential for concurrent implementation of two or more of these technologies. Even if the conversion efficiency of a technology is low, it could be worthwhile to utilise if there is no other use for the excess heat. The iron and steel industry is energy intensive and its production processes are often conducted at high temperatures. As a consequence, large amounts of excess heat are generated. The potential electricity production from low-temperature excess heat at a steel plant was calculated together with the corresponding reduction in global CO2 emissions.

Place, publisher, year, edition, pages
Springer Netherlands, 2014. Vol. 7, no 2, 203-215 p.
Keyword [en]
Low-temperature excess heat, Heat recovery, Electricity generation, Thermoelectric generator (TEG), Organic Rankine cycle (ORC), Phase change material (PCM) engine
National Category
Energy Systems
Identifiers
URN: urn:nbn:se:liu:diva-94561DOI: 10.1007/s12053-013-9218-6ISI: 000332789200003OAI: oai:DiVA.org:liu-94561DiVA: diva2:633130
Funder
Swedish Energy Agency
Available from: 2013-06-26 Created: 2013-06-26 Last updated: 2017-12-06
In thesis
1. Improved Energy Efficiency and Fuel Substitution in the Iron and Steel Industry
Open this publication in new window or tab >>Improved Energy Efficiency and Fuel Substitution in the Iron and Steel Industry
2014 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

IPCC reported in its climate change report 2013 that the atmospheric concentrations of the greenhouse gases (GHG) carbon dioxide (CO2), methane, and nitrous oxide now have reached the highest levels in the past 800,000 years. CO2 concentration has increased by 40% since pre-industrial times and the primary source is fossil fuel combustion. It is vital to reduce anthropogenic emissions of GHGs in order to combat climate change. Industry accounts for 20% of global anthropogenic CO2 emissions and the iron and steel industry accounts for 30% of industrial emissions. The iron and steel industry is at date highly dependent on fossil fuels and electricity. Energy efficiency measures and substitution of fossil fuels with renewable energy would make an important contribution to the efforts to reduce emissions of GHGs.

This thesis studies energy efficiency measures and fuel substitution in the iron and steel industry and focuses on recovery and utilisation of excess energy and substitution of fossil fuels with biomass. Energy systems analysis has been used to investigate how changes in the iron and steel industry’s energy system would affect the steel plant’s economy and global CO2 emissions. The thesis also studies energy management practices in the Swedish iron and steel industry with the focus on how energy managers think about why energy efficiency measures are implemented or why they are not implemented. In-depth interviews with energy managers at eleven Swedish steel plants were conducted to analyse energy management practices.

In order to show some of the large untapped heat flows in industry, excess heat recovery potential in the industrial sector in Gävleborg County in Sweden was analysed. Under the assumptions made in this thesis, the recovery output would be more than three times higher if the excess heat is used in a district heating system than if electricity is generated. An economic evaluation was performed for three electricity generation technologies for the conversion of low-temperature industrial excess heat. The results show that electricity generation with organic Rankine cycles and phase change material engines could be profitable, but that thermoelectric generation of electricity from low-temperature industrial excess heat would not be profitable at the present stage of technology development. With regard to fossil fuels substituted with biomass, there are opportunities to substitute fossil coal with charcoal in the blast furnace and to substitute liquefied petroleum gas (LPG) with bio-syngas or bio synthetic natural gas (bio-SNG) as fuel in the steel industry’s reheating furnaces. However, in the energy market scenarios studied, substituting LPG with bio-SNG as fuel in reheating furnaces at the studied scrap-based steel plant would not be profitable without economic policy support. The development of the energy market is shown to play a vital role for the outcome of how different measures would affect global CO2 emissions.

Results from the interviews show that Swedish steel companies regard improved energy efficiency as important. However, the majority of the interviewed energy managers only worked part-time with energy issues and they experienced that lack of time often was a barrier for successful energy management. More efforts could also be put into engaging and educating employees in order to introduce a common practice of improving energy efficiency at the company.

Abstract [sv]

Halterna av växthusgaserna koldioxid (CO2), metan och kväveoxider har under de senaste 800 000 åren aldrig varit högre i atmosfären än vad de är idag. Detta resultat redovisades i IPCCs klimatrapport år 2013. CO2-koncentrationen har ökat med 40 % sedan förindustriell tid och denna ökning beror till största delen på förbränning av fossila bränslen. Ökade koncentrationer av växthusgaser leder till högre global medeltemperatur vilket i sin tur resulterar i klimatförändringar.  För att bromsa klimatförändringarna är det viktigt att vi arbetar för att minska utsläppen av växthusgaser. Industrin står för 20 % av de globala utsläppen av CO2 och järn- och stålindustrin står för 30 % av industrins utsläpp. Järn- och stålindustrin är i dag till stor del beroende av fossila bränslen och el för sin energiförsörjning. Energieffektiviseringsåtgärder och byte av fossila bränslen mot förnybar energi i järn- och stålindustrin skulle kunna bidra till minskade utsläpp av växthusgaser.

Denna avhandling studerar åtgärder för effektivare energianvändning och möjligheter för bränslebyte i järn- och stålindustrin. Avhandlingen fokuserar på återvinning och utnyttjande av överskottsenergier och ersättning av fossila bränslen med biomassa. Energisystemanalys har använts för att undersöka hur förändringar i järn- och stålindustrins energisystem skulle påverka ekonomin och de globala utsläppen av CO2. Avhandlingen studerar också betydelsen av energiledning och nätverkande för att uppnå en effektivare energianvändning. Fokus har här varit på att studera hur energiansvariga resonerar kring varför energieffektiviseringsåtgärder genomförs eller varför de inte genomförs. Djupintervjuer med energiansvariga vid elva svenska stålverk genomfördes för att analysera denna fråga.

För att ge ett exempel på den stora outnyttjade potentialen av överskottsvärme från industrin analyserades potentialen i Gävleborgs län. Möjligheterna att använda överskottsvärmen som fjärrvärme eller för att producera el analyserades. Här visar resultaten att fjärrvärmeproduktionen skulle bli mer än tre gånger så stor som elproduktionen. En ekonomisk utvärdering gjordes där tre tekniker för produktion av el från lågtempererad industriell överskottsvärme jämfördes. Resultaten visar att elproduktion med organisk Rankine-cykel eller en så kallad fasändringsmaterialmotor kan vara lönsam, men att termoelektrisk elproduktion inte är lönsam med dagens teknik och prisnivåer. Det är möjligt att ersätta en del av det fossila kolet i masugnen med träkol och på detta sätt introducera förnybar energi i stålindustrin. Man kan också ersätta gasol som används som bränsle i stålindustrins värmningsugnar med syntesgas eller syntetisk naturgas (SNG) som produceras genom förgasning av biomassa. Under de antaganden som gjorts i avhandlingen skulle det dock inte vara lönsamt för det skrotbaserade stålverk som studerats att ersätta gasolen med bio-SNG. För att uppnå lönsamhet behövs i detta fall ekonomiska styrmedel. Hur olika åtgärder påverkar de globala utsläppen av CO2 beror till stor del på hur framtidens energimarknad ser ut. Elproduktion från industriell överskottsvärme skulle minska de globala CO2-utsläppen i alla scenarier som studerats, men för de andra åtgärderna varierar resultaten beroende på vilka antaganden som gjorts. Resultaten från intervjustudien visar att svensk stålindustri anser att energifrågan är viktig, men det finns fortfarande mycket att göra för att effektivisera energianvändningen i denna sektor. Flera av de intervjuade arbetade bara deltid med energifrågor och de upplevde att tidsbrist hindrade dem från ett effektivt energiledningsarbete. En rekommendation till företagen är därför att anställa en energiansvarig på heltid och/eller fler personer som kan arbeta med energifrågor. Det bör också läggas mer resurser på att engagera och utbilda anställda för att på så sätt introducera en företagskultur som främjar effektiv energianvändning.

Place, publisher, year, edition, pages
Linköping: Linköping University Electronic Press, 2014. 97 p.
Series
Linköping Studies in Science and Technology. Dissertations, ISSN 0345-7524 ; 1586
Keyword
iron and steel industry, energy efficiency, CO2 emissions, fuel substitution, fuel switch, excess heat, biomass gasification, bio-syngas, synthetic natural gas, SNG, energy market scenarios, energy management, barriers, driving forces, järn- och stålindustrin, energieffektivisering, CO2-utsläpp, bränslebyte, överskottsvärme, restvärme, förgasning, bio-syntesgas, syntetisk naturgas, SNG, energimarknadsscenarier, energiledning, hinder, drivkrafter
National Category
Energy Systems
Identifiers
urn:nbn:se:liu:diva-105849 (URN)10.3384/diss.diva-105849 (DOI)978-91-7519-367-0 (ISBN)
Public defence
2014-04-29, ACAS, A.huset, Campus Valla, Linköpings universitet, Linköping, 09:40 (Swedish)
Opponent
Supervisors
Funder
Swedish Energy Agency
Available from: 2014-04-11 Created: 2014-04-10 Last updated: 2016-05-04Bibliographically approved

Open Access in DiVA

Electricity generation from low temperature industrial excess heat – an opportunity for the steel industry(418 kB)2723 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 418 kBChecksum SHA-512
eb845fb0c0e7d7b6c22e7fe94d06d8acd110434bf754f0852b4f0710ecb1f67adc3eda101b6e75cadb4e4da6a373b40aee9534ada8a96786ac5ce2ab74ea080e
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full text

Authority records BETA

Johansson, MariaSöderström, Mats

Search in DiVA

By author/editor
Johansson, MariaSöderström, Mats
By organisation
Energy SystemsThe Institute of Technology
In the same journal
Energy Efficiency
Energy Systems

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 2723 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 459 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • oxford
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf