TOPIC ENERGIE-EFFICIËNTIE Hergebruik van restwarmte

Wanneer omarmt de industrie de warmtepomp?

Dat de Europese industrie haar energieverbruik moet terugdringen, is geen nieuws meer. De hoge energiekosten en de klimaatambities vragen om maatregelen. Een enorme kans ligt bij het hergebruiken van restwarmte. Uit onderzoek is gebleken dat in de EU jaarlijks 300 TWh aan restwarmte onbenut blijft. Warmtepompen zijn dé manier om meer uit industriële restwarmte te halen. Maar de industrie is nog te onbekend met deze methode van energiebesparing.

Jacqueline van Gool

Drogen

De huidige hoge kosten voor energie dragen ertoe bij dat bedrijven kritischer naar hun processen kijken. Annita Westenbroek van ISPT ziet veel processen waarbij een groot potentieel is aan restwarmte dat onbenut blijft. ‘Dat geldt eigenlijk voor alle sectoren: chemie, agrofood, papier en levensmiddelen. Een goed voorbeeld is drogen. Dat gaat snel als je een grote luchtstroom gebruikt. Maar hierdoor daalt de temperatuur van de damp en die is dan niet meer bruikbaar in het proces. Om de restwarmte niet verloren te laten gaan, onderzoeken we of het mogelijk is om met minder lucht te drogen en de energie uit de damp met warmtepompen te gebruiken voor stoomproductie. Dit is heel relevant voor de papierindustrie, waar zeventig procent van het energieverbruik voor rekening van warmte komt. Door warmtepompen in te zetten, kan veertig tot zestig procent energie worden bespaard.’ Een warmtepomp waardeert warmte van een lage kwaliteit (temperatuur) op naar een hogere kwaliteit. Met slechts een kleine hoeveelheid elektrische energie kan een veel grotere hoeveelheid thermische energie, of restwarmte, met een lage temperatuur naar een veel hoger niveau worden gebracht, waardoor het weer nuttig kan worden ingezet. Innovaties leiden ertoe dat het opwaarderen van restwarmte op grotere vermogens steeds breder mogelijk wordt voor verschillende industriële sectoren. Volgens Annita Westenbroek, programma directeur Warmte van het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT) en manager Innovatie van de Koninklijke Vereniging van Nederlandse Papier- en kartonfabrieken (VNP) vormen warmtepompen een cruciale technologie met een enorme potentie. ‘Ze worden ook steeds meer gebruikt. Maar ze zijn nu nog vooral erg duur.’ De kosten komen enerzijds voor rekening van het apparaat zelf. Hierbij is de compressor de grootste kostenpost. Maar ook het inpassen van een warmtepomp in een bestaand proces vraagt een investering. ‘Als je een warmtepomp inbouwt, zijn vaak ook andere extra apparaten nodig. Zo moeten voor stoomcompressie diverse pijpen worden aangelegd en verlegd, en vaak is ook een zwaardere elektriciteitsaansluiting nodig. Ook moet meestal de hele warmteregeling van een proces worden aangepast. Daarnaast moet het proces worden stilgelegd om deze aanpassingen te kunnen doen. De procesaanpassingen zijn vaak duurder dan de aanschaf van de pomp zelf. Voor de aanschaf van warmtepompen bestaan overheidssubsidies, maar dat geldt in Nederland niet voor de inpassing in het proces, terwijl dat juist het complexe en ook risicovolle deel is.’

Groot

Niet alleen het aanpassen van het proces maakt het inpassen van een warmtepomp complex. ‘De installaties zijn groot. Een installatie met een oppervlak van tientallen vierkante meters en die zo’n tien meter hoog kan worden, past niet zomaar in een bestaand proces. ‘Het liefst plaats je een warmtepomp dicht bij het proces waar deze in wordt gebruikt. Extra piping zorgt voor efficiency-verliezen. Wil je zo’n installatie op een dak plaatsen, dan moet je rekening houden met de sterkte van de dakconstructie. Ook zul je hiervoor vergunningen moeten aanvragen’, aldus Westenbroek. Veel bedrijven kiezen daarom liever voor het inpassen van een E-boiler. ‘Dat is een stuk goedkoper en gemakkelijker in het proces te plaatsen. Een E-Boiler is belangrijk bij piekmomenten in elektriciteitsbeschikbaarheid, maar het levert geen enkel energievoordeel op. Een E-boiler verwarmt namelijk met

elektriciteit in plaats van met aardgas. Het is belangrijk dat mensen inzien dat het belangrijk is om energie te besparen en CO2-vrije bronnen efficiënt te gebruiken.’ Ook denkt Westenbroek dat bedrijven te vaak denken dat er wel groene waterstof beschikbaar komt om aardgas te vervangen bij de productie van stoom. ‘Maar je moet waterstof zeker niet gebruiken voor de productie van stoom. Daar is de energiekwaliteit van waterstof veel te hoog voor. Dat zou zonde zijn. Het is beter om direct elektriciteit te gebruiken voor de processen.’

Inzicht

Volgens Westenbroek is de technologie-ontwikkeling geen bottleneck voor de toepassing van warmtepompen. Het probleem is de onbekendheid met de technologie, aldus Westenbroek: ‘De industrie moet een beter inzicht krijgen over wat er mogelijk is binnen haar processen. Pas als de technologen binnen een onderneming daar zicht op hebben, kunnen ze dat ook aan het management uitleggen. Ik hoor wel eens bedrijven zeggen dat ze geen restwarmte hebben, maar dat is niet waar. Als je rivierwater van een graad of tien al kan gebruiken in een warmtepomp om er woningen mee te verwarmen, dan kan de industrie zeker meer doen met haar warmtestromen die minstens 50 tot 60 graden Celsius zijn.’

Kennis delen

Overleg tussen de warmtepompsector en de verschillende industriële spelers is hierbij cruciaal. ‘Producenten moeten hun kennis meer delen. De industrie is nog te weinig bekend met de mogelijkheden van warmtepompen. En aan de andere kant weten de fabrikanten soms te weinig over de processen van de bedrijven.’

Westenbroek noemt een voorbeeld uit de papiersector: ‘Als een warmtepompfabrikant aan een papierproducent vraagt wat hij nodig heeft, dan noemt hij de hoge stoomdruk die nu door de WKK wordt geproduceerd, oplopend tot 20 of 30 bar. De warmtepompleverancier komt dan tot de conclusie dat hij geen apparatuur kan leveren die dat kan bereiken. Maar als je dieper in het proces gaat kijken, dan zie je dat de stoomdruk wordt verlaagd voor de verschillende toepassingen in het proces. Met een andere constructie, een warmtepomp in combinatie met stoomcompressie, kunnen deze procesdrukken wel worden bereikt.’

‘De industrie moet een beter inzicht krijgen over wat er mogelijk is binnen haar processen.’

ANNITA WESTENBROEK PROGRAMMA DIRECTEUR WARMTE ISPT QPinch-installatie bij Borealis.

Overleg op T-level

Daan Scheepens, process engineer en consultant bij Standard Fasel, specialist op het gebied van ketel- en brandertechniek, herkent dit probleem: ‘Er is binnen bedrijven de laatste decennia afnemende kennis en expertise over de warmtehuishouding van processen aanwezig. Vroeger bestonden er gespecialiseerde ketelhuisoperators, nu moet je blij zijn als er iemand echt kennis heeft van proceswarmte. Voor ons is het daarom lastig om mensen binnen de industrie te enthousiasmeren voor warmtepompen. Want ze moeten het begrijpen, snappen wat de voordelen zijn en er dan ook in willen investeren.’ Ook Bruno De Jonckheere, business developer bij Qpinch, producent van chemische hoge temperatuur warmtepompen, geeft aan dat juist de communicatie met potentiële afnemers heel belangrijk is. ‘Meer overleg op technologisch niveau tussen producenten en afnemers is welkom. Op C-level – de chiefs – worden energiedoelstellingen vaak gecommuniceerd aan iedereen binnen het bedrijf. Het is voor een producent

als Qpinch vaak ingewikkeld om in contact te komen met het juiste T-level, de technologen van de bedrijven. Zij beslissen uiteindelijk mee over het nut van investeringen door technische en economische aanbevelingen te doen.’

Stoomcompressie

Standard Fasel werkt bij Fieldlab Industrial Electrification aan een stoomcompressie-warmtepomp. Scheepens is betrokken bij het demonstratieproject. Om restwarmte uit stoom terug te winnen wordt dit met een mechanische compressor gecomprimeerd. ‘Hierdoor kunnen temperatuur en druk veel verder worden opgevoerd dan met traditionele koudemiddelen. Bij het gebruik van een koudemiddel heb je te maken met een kritisch punt voor druk en temperatuur. Als je daar te dicht bij in de buurt komt, verlies je veel efficiency.’ Voor stoom ligt het kritische punt op 220 bar en 374 graden Celsius. Stoomcompressie werkt volgens Scheepens vooral goed bij hogere temperaturen. ‘Bij temperaturen rond de honderd graden of lager heeft stoom een lage dichtheid. Dat betekent dat je grote volumes nodig hebt. Stoomcompressie is dan relatief duur. Bij het Fieldlab doen we een technologische oefening om te zien wat de limieten zijn. Wij zijn nu in staat om bij een temperatuur van minimaal 60 graden in vacuüm damp te maken.’ Een grote uitdaging van deze warmtepomp is het werken onder vacuüm, zegt Scheepens. ‘Er mag geen lucht in

het systeem stromen, dat vraagt om een andere aanpak dan we gewend zijn. Stoomketels werken in overdruk. Het water moet worden geconditioneerd en gespuid. Als je onder vacuüm werkt, kan dat niet zomaar.’ Het bedrijf begon vijf jaar geleden aan de ontwikkeling van dit type warmtepomp. Het huidige systeem van 400 kW wordt het komende half jaar uitvoerig getest bij TNO in Petten. Daarna wordt deze opgeschaald met een factor tien. ‘Het is de bedoeling dat we hiermee een demonstratieproject in samenwerking met een industriële eindgebruiker gaan doen.’ Scheepens denkt dat de ontwikkeling van hogetemperatuurwarmtepompen nu in een stroomversnelling zal komen. ‘Wij zochten een partner voor de benodigde compressor. Grote bedrijven waren tot een half jaar geleden niet geïnteresseerd om te participeren. Maar de afgelopen maanden is er veel veranderd en nu kloppen de grote firma’s bij ons op de deur. Nu willen ze er wel tijd en geld voor vrijmaken.’

‘Meer overleg op technologisch niveau tussen producenten en afnemers is welkom.

BRUNO DE JONCKHEERE BUSINESS DEVELOPER QPINCH Installatie van Standard Fasel.

Reversibele chemische reactie

Een andere manier om restwarmte terug te winnen is met behulp van een chemische warmtepomp of warmtetransformator. Het in 2012 opgerichte bedrijf QPinch maakt gebruik van een reversibele chemische reactie om afvalwarmte op te waarderen. De Jonckheere: ‘In onze installatie transformeren we de energie die nog in afvalwarmte van 80-120°C aanwezig is, in chemische bindingsenergie. Vervolgens geven we die bindingsenergie vrij aan een andere processtroom. Het medium dat we hiervoor gebruiken, is fosforzuur. Dit kan onder bepaalde condities dimeren vormen en de dimerisatie is een endoterme reactie.’ Fosforzuur dimeriseert niet spontaan, maar co-founder en technoloog Wouter Ducheyne heeft een systeem ontwikkeld om deze reactie in een reactor onder vacuüm spontaan te laten gebeuren. ‘Warmte wordt op die manier uit de afvalwarmtestroom in de gevormde moleculen gezogen. Dankzij slimme warmte-integratie kan de bindingsenergie op een hogere temperatuur worden afgegeven.’ De Qpinchinstallatie neemt typisch afvalwarmte af van temperaturen boven 80 graden Celsius. ‘De restwarmte kan latente of voelbare warmte zijn. Typisch produceert de QPinch-installatie stoom van 140 tot 200 graden Celsius.’ De Jonckheere ziet dat er vooral vanuit de chemische industrie veel interesse is voor toepassing van de chemische warmtepomp. Momenteel draaien er drie installaties in de praktijk, bij Borealis en Kuraray en bij QPinch zelf, alle drie in de Antwerpse haven.

Kleine investeringen Kleine investeringen

VOOR GROTE OPLOSSINGEN VOOR GROTE OPLOSSINGEN

U zoekt een - tijdelijke - oplossing voor een waterzuivering, U zoekt een - tijdelijke - oplossing voor een waterzuivering, waterhergebruik of andere waterbehandeling? En u wilt waterhergebruik of andere waterbehandeling? En u wilt liever niet investeren? liever niet investeren?

Europa’s grootste verhuurvloot biedt u complete full-scale Europa’s grootste verhuurvloot biedt u complete full-scale installaties of losse componenten, zoals zandfilters, installaties of losse componenten, zoals zandfilters, actiefkoolfilters, striptorens, pompen, bufferbakken, actiefkoolfilters, striptorens, pompen, bufferbakken, lamellenbezinkers, flotatie, beluchtingen, ionenwisselaars, lamellenbezinkers, flotatie, beluchtingen, ionenwisselaars, omgekeerde osmose, ultrafiltratie en MBR. omgekeerde osmose, ultrafiltratie en MBR.

Plug & Play opgeleverd, inclusief de benodigde certificaten. Plug & Play opgeleverd, inclusief de benodigde certificaten. Bel of mail Logisticon Verhuur voor een áltijd passende Bel of mail Logisticon Verhuur voor een áltijd passende huur- of lease-oplossing. huur- of lease-oplossing.

Logisticon Water Treatment B.V. Logisticon Water Treatment B.V. Logisticon Verhuur B.V. Logisticon Verhuur B.V. Energieweg 2Energieweg 2 2964 LE Groot-Ammers, Nederland 2964 LE Groot-Ammers, Nederland T +31 (0)184 60 82 60T +31 (0)184 60 82 60 E water@logisticon.comE water@logisticon.com W www.logisticon.com W www.logisticon.com