Europa streeft ernaar om tegen 2050 het eerste klimaatneutrale continent ter wereld te zijn. Deze doelstelling zorgt voor veel inspanning, regelgeving, innovatie en verandering die de Europese bevolking en industrieën moeten doormaken.
Bouwen aan een betere toekomst voor de samenleving door middel van klimaatneutraliteit is een grote kans, maar ook een die vol uitdagingen zit. Economische sectoren zoals transport, gebouwen, landbouw en de industrie zullen een belangrijke rol spelen om dat doel te bereiken. Europa’s volgende mijlpaal is het verminderen van de CO2-uitstoot met 90% in 2040 ten opzichte van het niveau van 2019 en dat is niet eenvoudig.
Op het vlak van energie efficiëntie weten we dat elektrische voertuigen beter zijn in vergelijking met de conventionele ICE (interne verbrandingsmotoren). Elektrische motoren zijn gewoon 3 keer efficiënter in vergelijking met verbrandingsmotoren en dat is de belangrijkste reden achter hun snelle introductie in het afgelopen decennium.
We weten ook waarom bepaalde technologieën, zoals fotovoltaïsche zonne-energie of elektriciteitsopwekking door middel van windenergie, superieur zijn aan de conventionele manier van elektriciteitsopwekking door middel van fossiele energiecentrales.
Hetzelfde kan eigenlijk gezegd worden van elke nieuwe technologie voordat de markt deze volledig accepteert. Het is beter, maar het kan op het eerste gezicht duurder lijken.
De Europese industrie is tegenwoordig verantwoordelijk voor ongeveer een derde van de eindvraag naar energie in de EU en ongeveer 20% van de totale uitstoot van broeikasgassen in Europa.
Als je vandaag de dag naar een industrie kijkt, kun je de energiebehoefte indelen in 2 categorieën:
- Elektriciteit om de productielijnen en machines van stroom te voorzien, om licht te leveren maar ook om koel- en vriesapparatuur te gebruiken die bijdraagt aan het industriële proces.
- Fossiele brandstof om industriële boilers aan te drijven die warm water of stoom genereren of indirect de lucht verwarmen voor processen zoals drogen en bakken.
In dit artikel richten we ons op één technologie en één industrie om te laten zien hoe we decarbonisatie stap voor stap kunnen aanpakken.
Warmtepompen & de voedingsindustrie
De voedingsindustrie, waar de verhouding tussen fossiele brandstoffen en elektriciteit ongeveer 80/20 is. Het grootste deel van de fossiele brandstoffen wordt gebruikt om industriële ketels aan te drijven die het proces opwarmen tot temperaturen die zelden boven de 150°C komen.
De voedingsindustrie is een van de gemakkelijkste industrieën om nu CO2-neutraal te maken vanwege de aanwezigheid van industriële warmtepompen die de afhankelijkheid van brandstofketels gemakkelijk kunnen vervangen of minimaliseren. Elke lidstaat heeft honderden, zo niet duizenden fabrieken die hun bevolking van eten en drinken voorzien en dit naar andere landen exporteren.
Warmtepompen zijn de elektrische voertuigen van de verwarming; ze zorgen niet alleen voor duurzame verwarming en maken een einde aan de afhankelijkheid van gasketels, maar ze kunnen ook worden gebruikt om te koelen, mits ze op de juiste manier zijn ontworpen en geïntegreerd.
De meeste lezers weten hoe een 10kW warmtepomp thuis boilers kan vervangen om warm water van 55°C te leveren op een zeer efficiënte manier met een zeer korte terugverdientijd over de investering en financiële besparingen kan opleveren. Maar niet veel mensen weten hoe het in een industriële installatie kan werken om warm water of stoom tot 150°C te leveren. Elk industrieel proces geeft afvalwarmte af die in de atmosfeer wordt uitgestoten, denk maar aan condensors voor koelsystemen, koeltorens, WKK-installaties en rookgassen, de meeste hiervan vormen een perfecte warmtebron voor een industriële warmtepomp op industriële schaal.
Als je bijvoorbeeld afvalwarmte van 50°C gebruikt en deze met behulp van een warmtepomp naar 100°C brengt, heb je een prestatiecoëfficiënt (COP) van 4,5 met gebruik van R-1233zd; dit betekent dat je bijna 500% efficiënter kunt zijn dan een conventionele industriële gasketel.
Dit voorbeeld kan het gebruik van fossiele brandstoffen minimaliseren of elimineren, de CO2-uitstoot verminderen, het proces voorzien van de warmte die nodig is om het eindproduct te produceren en tegelijkertijd besparen op OPEX.
Er zijn tegenwoordig tientallen processen die baat kunnen hebben bij industriële warmtepompen, zoals sterilisatie, pasteurisatie, koken, drogen, brouwen, destillatie, blancheren en vele andere processen binnen de voedingsindustrie.
Een bijkomend voordeel van het gebruik van warmtepompen is dat je er ook koeling uit kunt halen, wat kan helpen om aan de behoefte aan proceskoeling te voldoen en het verbruik van bestaande proceskoelers te verminderen.
Koudemiddelen
Mensen kennen vaak het werkingsprincipe achter warmtepompen: een werkvloeistof (koudemiddel) absorbeert de warmte aan de ene kant (warmtebron), wordt vervolgens samengeperst door een compressor om de druk te verhogen en wordt vervolgens warmte afgegeven aan de andere kant (koellichaam). Maar niet alle warmtepompen zijn hetzelfde.
Er zijn veel aspecten die over het hoofd worden gezien en een daarvan is de keuze van het werkmiddel (koudemiddel). Er zijn verschillende aspecten waarmee rekening moet worden gehouden bij het kiezen van het koudemiddel voor uw toepassing:
- GWP* en ODP*.
- Veiligheidsklasse (van niet brandbaar en niet giftig tot zeer brandbaar en zeer giftig).
- Inzetgebied (kooktemperatuur en kritieke temperatuur).
- Bedrijfsdruk
- Volumetrische verwarmingscapaciteit
- Efficiëntie
Voor industriële warmtepomptoepassingen worden voornamelijk de volgende koudemiddelen gebruikt:
- Ammoniak: Zeer laag GWP, geclassificeerd als B2L wat betekent dat het licht ontvlambaar is, maar zeer giftig bij zeer lage concentraties.
- Koolwaterstoffen (butaan, pentaan, isobutaan, isopentaan): Zeer laag GWP, combineren een goede verwarmingscapaciteit en efficiëntie, maar zeer ontvlambaar en explosief (A3).
- HFO’s (fluorwaterstof-olefinen): De 4e generatie gefluoreerde gassen, zeer laag GWP & ODP, elke HFO is ontworpen voor een specifiek gebruik, met een spectrum van verschillende thermodynamische en veiligheidseigenschappen. Enkele van de populairste die worden gebruikt in industriële warmtepomptoepassingen zijn R-1234ze(E) & R-1233zd (E) onder het merk Solstice® van Honeywell.
- Water: Dit is waarschijnlijk het enige koudemiddel dat alleen wordt gebruikt voor stoomopwekking of stoomrecompressie.
Het belang van veiligheid
Veiligheid speelt een grote rol in elk industrieel proces. Er is een groot verschil tussen het gebruik van een warmtepomp voor een eengezinswoning met een koudemiddelvulling van maximaal 200 gram en het gebruik van een warmtepomp voor een industrieel proces waarbij de koudemiddelvulling begint bij 50kg en kan oplopen tot duizenden kg. In de echte wereld, waar lekkages kunnen voorkomen, kan het extreem uit de hand lopen als het gebruikte koudemiddel giftig is en werkt onder 80 bar of licht ontvlambaar en explosief is in een omgeving met explosiegevaar zoals distillatie van sterke drank, suikerfabriek, papier- en pulpfabriek.
Conclusie
Warmtepompen kunnen een belangrijke rol spelen bij het CO2- neutraal maken van de industrie in Europa om de doelstellingen sneller te bereiken.
maken van de industrie in Europa om de doelstellingen sneller te bereiken. De technologie is er klaar voor en veel lidstaten bieden verschillende soorten subsidies en fondsen om de industrie te helpen bij de initiële investering en de bedrijfskosten. Warmtepompen zijn een haalbare optie voor industrieën die een bestaande WKK-installatie hebben om hun eigen elektriciteit te produceren, evenals voor lidstaten met een elektriciteit-gasprijsverhouding van (Warmtepomp COP – 1).
Voorbeeld: Als de warmtepomp een COP van 4 heeft en de prijs van elektriciteit ten opzichte van gas is 3, dan is de warmtepomp een haalbare optie.
Door te kiezen voor een niet-giftig en niet-ontvlambaar of licht ontvlambaar koudemiddel worden veel risico’s vermeden die industriële eindgebruikers lopen als ze kiezen voor een giftig of ontvlambaar koudemiddel.
Tot slot kunnen warmtepompen een geweldige oplossing zijn om de Europese industriële sector concurrerender te maken, omdat ze de industrie in staat stellen om een veel lagere energie-intensiteit voor de eindproducten te hebben en zo de energiekosten te verlagen en de deur te openen voor het verhogen van het bedrijfsresultaat van de industrie, concurrerender prijzen aan te bieden of zelfs de productiecapaciteit te verhogen en knelpunten te voorkomen.
GWP: Global Warming Potential = aardopwarmingsvermogen
ODP: Ozone Depleting Potential = ozonafbrekend vermogen
OPEX: Operationele uitgaven = exploitatiekosten