Nu bedrijven in de voedingsmiddelenindustrie hun transitie versnellen om van fossiele brandstoffen af te komen, worden industriële warmtepompen steeds meer erkend als een sleuteltechnologie om de CO₂-uitstoot te verminderen. Maar het vervangen van een gasketel is slechts een deel van de uitdaging. Voor veel fabrieken in de voedingsmiddelenindustrie is de cruciale vraag nu: hoe kan lagedrukstoom op een duurzame, efficiënte en rendabele manier worden geproduceerd?
Een nieuwe white paper van Solstice Advanced Materials gaat hier dieper op in door hogetemperatuurwarmtepompen en mechanische dampcompressietechnologieën (MVR) voor industriële stoomproductie met elkaar te vergelijken, en biedt zo waardevolle informatie aan voedingsmiddelen- en drankenproducenten die streven naar koolstofneutraliteit.
Stoom blijft van essentieel belang in de voedingsmiddelenindustrie
Lagedrukstoom, bij ongeveer 140 °C, blijft een hoeksteen van de productieprocessen in de voedingsmiddelenindustrie. Het wordt op grote schaal gebruikt bij het koken, pasteuriseren, steriliseren, reinigen, ontsmetten en drogen, waarbij een betrouwbare en regelbare warmteoverdracht essentieel is. Ondanks aanzienlijke vooruitgang op het gebied van industriële elektrificatie blijft stoomproductie een van de moeilijkst te decarboniseren toepassingen.
Deze uitdaging is des te relevanter omdat veel industriële stoomsystemen nog steeds gebaseerd zijn op ketels die op aardgas werken. Hoewel deze systemen hun waarde hebben bewezen en goed bekend zijn, dragen ze ook in aanzienlijke mate bij aan de directe uitstoot van broeikasgassen. Naarmate de doelstellingen voor duurzame ontwikkeling strenger worden, onderzoeken bedrijven in de agrovoedingssector alternatieve technologieën die hetzelfde thermische vermogen kunnen leveren met een aanzienlijk kleinere CO₂-voetafdruk.
Warmtepompen en MVR: twee manieren om stoom met een lage CO₂-voetafdruk te produceren
De Solstice-studie evalueert twee toonaangevende alternatieven: hogetemperatuurwarmtepompen en mechanische dampcompressiesystemen (MVR*) met een drukverhoger.
Hoge-temperatuurwarmtepompen winnen restwarmte uit industriële processen terug en brengen deze via een dampcompressiecyclus op een bruikbaar temperatuurniveau. MVR-systemen daarentegen comprimeren de waterdamp rechtstreeks, waardoor de temperatuur en druk ervan toenemen, zodat deze kan worden hergebruikt als warmtebron. In sommige gevallen kunnen deze twee technologieën worden gecombineerd in een cascadeconfiguratie, waarbij een warmtepomp zorgt voor de eerste temperatuurverhoging en het MVR-systeem de laatste stap verzorgt om de vereiste dampcondities te bereiken.
Hoewel MVR-systemen zeer hoge rendementen kunnen behalen, wordt in de studie benadrukt dat ze vaak meerdere compressietrappen, extra apparatuur en een complexere installatie vereisen om aanzienlijke temperatuurstijgingen te realiseren. Deze factoren kunnen de investeringskosten verhogen en de algehele rendabiliteit van het project beïnvloeden.
Een vermindering van de CO₂-uitstoot met meer dan 90 %
Een van de meest opvallende conclusies van deze analyse is het belang van de emissiereducties die kunnen worden gerealiseerd met geëlektrificeerde stoomproductietechnologieën.
(bron: Solstice-whitepaper)
Voor een stoomtoepassing in de voedingsmiddelenindustrie met een vermogen van 1 MW, die 24 uur per dag en 250 dagen per jaar in bedrijf is, heeft een cascadeconfiguratie – bestaande uit een warmtepomp en drie MVR’s met drukverhoger – geleid tot een vermindering van de CO₂-uitstoot over de gehele levenscyclus met 90,3 % in vergelijking met een traditionele gasketel. Tegelijkertijd zijn de totale eigendomskosten (TCO) met 29 % gedaald.
Het meest opvallende resultaat kwam echter naar voren toen de onderzoekers een zelfstandig werkende hogetemperatuurwarmtepomp beoordeelden, zonder aanvullende MVR-apparatuur.
In dit scenario zijn de emissies met 89,8 % teruggedrongen, terwijl de TCO met 37,4 % is gedaald ten opzichte van de referentie van de gasketel. Volgens het onderzoek is de opstelling met een autonome warmtepomp voor veel lagedrukstoomtoepassingen de economisch meest interessante optie.
De economie gaat boven efficiëntie
Uit dit onderzoek komt een belangrijke les naar voren voor besluitvormers in de industrie: de meest efficiënte technologie is niet altijd de meest rendabele.
Hoewel MVR-systemen uitstekende prestatiecoëfficiënten (COP) kunnen bieden, kunnen de extra investeringskosten een deel van de operationele besparingen tenietdoen. Uit de analyse is gebleken dat de hogere kosten voor apparatuur en installatie van MVR-systemen met een drukverhoger een negatieve invloed kunnen hebben op de totale eigendomskosten, met name bij kleinere stoomproductiecapaciteiten, die veel voorkomen in de voedingsmiddelenindustrie.
Bedrijven die strategieën voor het koolstofvrij maken van stoom evalueren, moeten daarom niet alleen rekening houden met energie-efficiëntie, maar ook met installatie-eisen, onderhoudskosten en de operationele rentabiliteit op lange termijn. De in deze studie gehanteerde benadering van de totale eigendomskosten (TCO) houdt rekening met al deze factoren en biedt zo een realistischer uitgangspunt voor de technologische keuze.
De energieprijzen zullen van invloed zijn op de acceptatie
De rendabiliteit van industriële warmtepompen hangt ook sterk af van de lokale energiemarkten.
De onderzoekers hebben de impact geanalyseerd van de relatie tussen de elektriciteits- en gasprijzen, in de volksmond ook wel ‘spark spread**’ genoemd. Landen waar de elektriciteitsprijzen relatief laag zijn in vergelijking met die van gas, bieden doorgaans de beste economische voorwaarden voor de inzet van warmtepompen. Omgekeerd kunnen regio’s waar elektriciteit duur blijft, te maken krijgen met langere terugverdientijden en een tragere acceptatiegraad.
Dit betekent dat overheidssubsidies, steunprogramma’s voor elektrificatie en de ontwikkeling van hernieuwbare energiebronnen een belangrijke rol zullen blijven spelen bij het versnellen van de invoering van industriële warmtepompen in Europa.
Standaardisatie zou de kosten nog verder kunnen verlagen
Het rapport wijst ook op aanzienlijke mogelijkheden voor kostenbesparingen dankzij standaardisatie en schaalvoordelen.
De investeringskosten voor industriële warmtepompen worden momenteel geschat op 200 tot 400 euro per kilowatt, afhankelijk van de configuratie en de technologie. De auteurs concluderen dat een grootschaligere implementatie, gestandaardiseerde productieprocessen en het gebruik van onbrandbare koelmiddelen zoals R-1233zd de kosten nog verder zouden kunnen verlagen. Volgens de studie zou een daling van de apparatuurkosten naar de ondergrens van de bandbreedte een extra verlaging van 5 tot 10 % van de totale eigendomskosten mogelijk maken.
Dergelijke ontwikkelingen zouden de economische voordelen van het vervangen van bestaande gasketels vergroten en tegelijkertijd innovatieve warmtepompsystemen toegankelijk maken voor een groter aantal bedrijven in de agrovoedingssector.
Een nieuwe fase in de decarbonisatie van de industrie
De eerste golf van industriële decarbonisatie was vooral gericht op het vervangen van verwarmingssystemen die op fossiele brandstoffen draaien. De volgende fase zal zich richten op de stoomproductie, een van de meest energie-intensieve en meest vervuilende processen in de IAA-sector.
Uit de conclusies van het white paper van Solstice blijkt dat hogetemperatuurwarmtepompen zich profileren als een praktische en financieel aantrekkelijke oplossing voor lagedrukstoomtoepassingen die op grote schaal worden gebruikt in de hele agrovoedingssector. Door een aanzienlijke vermindering van de uitstoot te combineren met lagere levenscycluskosten, zouden deze systemen fabrikanten in staat kunnen stellen om vooruitgang te boeken bij het behalen van hun duurzaamheidsdoelstellingen zonder dat dit ten koste gaat van hun concurrentievermogen.
Voor bedrijven in de voedingsmiddelenindustrie die streven naar een netto-nuluitstoot, is de vraag niet langer of stoom koolstofvrij kan worden gemaakt, maar hoe snel de transitie op grote schaal kan worden doorgevoerd. Uit de huidige gegevens blijkt dat hogetemperatuurwarmtepompen een van de meest veelbelovende oplossingen zouden kunnen zijn.
*MVR: Mechanical Vapor Recompression
** spark spread: het verschil tussen de verkoopprijs van elektriciteit en de kosten van het aardgas dat nodig is om die elektriciteit op te wekken
De conclusies in dit artikel zijn gebaseerd op het witboek van Solstice Advanced Materials “Investigating Heat Pump and Blower MVR as Low Pressure Steam Generation Options”, geschreven door Wissam Rached, Amr Rizk en Kimura De Carvalho Bruno Yuji.
Krediet: @Solstice Advanced Materials
