Excess heat from energy intensive industries

Abstract

Som en følge av gunstige markedsforhold, høy andel av fornybar energiproduksjon og politisk stabile forhold ser mange bedrifter på Norge som en attraktiv lokasjon for etablering av grønn industri. Utbygging av industri og den generelle elektrifiseringen av Norge er forventet å resultere i et høyere energiforbruk. Dette kan føre til at energiproduksjonen ikke klarer å møte energibehovet. Norge har i dag totalt 20 TWh ubrukt overskuddsvarme, og med flere industrietableringer vil dette tallet øke fremover. Som en konsekvens av dette vil det være viktig å benytte overskuddsvarme på en bærekraftig måte og danne synergier mellom industrier.

Meningen med oppgaven er å presentere ulike muligheter for utnyttelse av overskuddsvarme. En framgangsmåte for dette er at data og erfaringer skal bli samlet inn fra prosjekter og bedrifter i bransjen. Ulike muligheter for bruk av overskuddsvarme skal simuleres, beregnes og evalueres mot hverandre.

I dag eksisterer det flere utfordringer tilknyttet bruk av overskuddsenergi. En stor utfordring er temperaturen. Mye av overskuddsvarmen, spesielt fra datasentre, har relativt lave temperaturer. Dette begrenser utnyttelsesmulighetene betraktelig. En annen utfordring er lokasjon. Energiintensive industrier trenger ofte stort areal og plasseres dermed ofte i grisgrendte strøk. Dette gjør det vanskelig å ta i bruk tradisjonelle løsninger som er tilknyttet oppvarming av bygg, eksempelvis fjernvarme.

Oppgaven baseres på noen antagelser som ble satt av Nordkraft AS: oppgaven skulle ta for seg overksuddsvarmen fra et datasenter på 100 MW, som ble luftkjølt og som var lokalisert utenfor Narvik by.

Gruppen valgte å analysere forskjellige industrier som mottaker av overskuddsvarme fra et datasenter. Varmen ut av et datasenter kan klassifiseres som lavverdig varme, under 40 celsius grader. Dermed ble det undersøkt og valgt industrier som opererer i disse temperaturene. De industriene gruppen valgte å analysere er drivhus, algedyrking, biomassetørking og fiskeoppdrett. Simuleringsprogrammet IDA-ice ble brukt til å simulere energiforbruk for et drivhus og et biomassetørke-anlegg. Varmebehov, ytterligere energibehov og energigjenbruksfaktor ble beregnet for industriene. Resultatene ble deretter sammenlignet og diskutert.

Resultatene viste at det var mulig å tilrettelegge for en rekke industrier, men med en svært varierende effektivitet. Ved sammenligning av resultatene fra de forskjellige simuleringene, viste det seg at å danne en symbiose mellom datasenter og et anlegg for fiskeoppdrett hadde høyest energigjenbruksfaktor, ERF, på 47 %. Kalkulasjonen for drivhuset impliserte at ved å samarbeide med datasenteret kunne drivhuset produsere 161 tonn med avokadoer per år. Denne mengden kan spare 323 tonn med CO_2-utslipp sammenlignet med det importregimet som er i dag.

As a result of a high share of renewable energy production, stable political and favorable market conditions Norway is a preferred location for the establishment of new green industries. These establishments and the ongoing electrification in the society are both expected to contribute to a higher consumption of energy. This could lead to a scenario where energy becomes a limiting resource. As of today Norway has a total of 20 TWh unused surplus heat, and this is expected to rise. Therefore, it is important to utilize the surplus energy and make the Norwegian energy intense industry more sustainable.

The purpose of the thesis is to present various possibilities for utilizing surplus energy. Data and experiences are also going to be collected from projects in comparable climates. Different solutions for utilization of excess heat are calculated and simulated. Ultimately the different solutions are analyzed and compared against each other.

Today, there are several challenges associated with utilizing surplus energy. One challenge is the temperature of the heat. Much of the surplus heat, especially from data centers, has relatively low temperatures. This limits the utilization possibilities. Another challenge is location. Industries located in rural areas must find creative solutions for using the surplus heat. Widely used solutions such as district heating cause large losses when transported over longer distances. Therefore, district heating is not an efficient solution in rural areas where industries are located far from urban areas.

Early in the process some assumptions were provided by Nordkraft in relation to the basis of the thesis. A prerequisite was that the thesis should focus on surplus heat from a data center. The data center had a size of approximately 100 MW, with air cooling and was located in a rural area near the city of Narvik.

In the thesis, the group has chosen to look at surplus heat from a data center for heating of various industries. These industries are classified as industries operating in low heat. Since the heat out of the data center is below 40 \celsius, it was important to find relevant industries in this temperature range. The chosen industries receiving the surplus heat are greenhouse/agriculture, algae cultivation, biomass-drying and fish farming. the simulation program IDA-ice was used to simulate a greenhouse and for the case of drying of biomass. Heat demand, additional energy and the energy reuse factor was calculated for all of the industries. The results of these calculations were compared to each other and are discussed.

The results showed that by utilizing excess heat it was possible to impact all the industries considered here, but with high variance in efficiency. The optimal industry turned out to be the fish farming facility which could achieve an energy reuse factor of 47%. The calculations also showed that a greenhouse in symbioses with a data center facility could produce 161 tonnes of avocados per year. Which could save 323 tonnes of CO_2-equivalents compared to the situation today.