Industriële warmtepompen sleutel tot verduurzaming droogprocessen

Industriële warmtepompen hebben veel potentie om energievretende droogprocessen een stuk energiezuiniger te laten verlopen. Zo bleek tijdens de ‘Duurzaam Drogen Dag’, georganiseerd door de Nederlandse Werkgroep Drogen (NWGD). Uit de diverse praktijkcases kwam naar voren dat er tijdens droogprocessen ontzettend veel hoogwaardige warmte de lucht in gaat. Hoogcalorische warmte kan dienen als energiebron voor bijvoorbeeld het opwekken van hete lucht of stoom met behulp van warmtepompen. Dit is echter geen stekkerklare oplossing. De installatie van een warmtepomp met bijbehorende infrastructuur is een rekenkundige en installatietechnische uitdaging. De behaalde besparingen kunnen echter zo groot zijn dat bedrijven hiermee (ruimschoots) aan de steeds strengere emissie-eisen kunnen voldoen, en tegelijk hun energieafhankelijkheid van gas kunnen terugschroeven. Dit laatste wordt steeds belangrijker nu energieprijzen zomaar de pan uit kunnen rijzen door internationale conflicten.

Subsidieaanvragen warmtepompprojecten

Dat warmtepompen een interessante energiebesparing kunnen opleveren, is niets nieuws. Afhankelijk van het proces kan dit in de tientallen procenten lopen, zo bleek tijdens dit congres. Toch staat de procesindustrie niet te trappelen om hierin te investeren. Wordt gekeken naar de subsidieaanvragen voor warmtepompprojecten in de Nederlandse markt, dan blijft de teller steken op 11, zo becijferde Bert Manders van de Rijksdienst voor Ondernemend Nederland. Nul, zelfs in de chemie. Erg mager. Het geeft wel aan dat de animo om in te stappen niet hoog is. De belangrijkste redenen: de prijs van warmtepompen en de conservatieve houding van de industrie. Allemaal verklaarbaar. De technologie is nog niet uitontwikkeld en vraagt zeker voor industriële toepassingen om maatwerk. Processen moeten grondig worden doorgelicht en vaak ook aangepast voor een maximaal rendement. Complicerende factor is dat elk proces weer anders is en andere eisen stelt aan het ontwerp van de installatie. Daarmee is de inzet van een industriële warmtepomp niet te vergelijken met de min of meer standaardtoepassingen van warmtepompen voor de utiliteitssector en woningen. Voor industriële pompen is het nog niet zo ver. Voorlopig betekent dat relatief hoge investeringskosten en een lange terugverdientijd.

Prestatiecoëfficiënt warmtepompen

De term Coefficient of Performance (COP) viel regelmatig tijdens de droog-dag. De COP is een maat voor het rendement van warmtepompen: dit getal geeft aan hoeveel warmte-energie wordt geproduceerd per eenheid elektriciteitsverbruik. Om dit te berekenen deel je de hoeveelheid geleverde warmte (in kWh) door de verbruikte elektriciteit (in kWh). Een COP van 4 staat dus voor 4 kWh aan warmte opgewekt met 1 kWh elektriciteit. Die 3 kWh-opbrengst kan bijvoorbeeld uit restwarmte van het proces komen. Tijdens de ‘Duurzaam Drogen Dag’ passeerden een aantal praktijkvoorbeelden de revue. Ze hadden gemeen dat de COP minstens 3,5 of hoger was, soms richting de 5 of zelfs iets erboven (het maximum). Komt de COP onder de 3,5, dan wordt het lastiger de warmtepompinvestering terug te verdienen.

Een kleine verbetering van de COP kan de terugverdientijd aanzienlijk terugdringen, bleek uit een rekenvoorbeeld van TNO. Van een vrij lage 2,5 naar een COP van 3,0 betekent geen 12,5 jaar, maar 7,5 jaar terugverdientijd. Een en ander is wel sterk afhankelijk van de gasprijs. Bij de huidige hoge gasprijzen zijn bedrijven die in een warmtepomp investeerden spekkopers, viel te horen tijdens deze NWGD-dag. Een leverancier meldde enthousiast dat hij van zijn klant terugkreeg dat die geen moment langer had moeten wachten met de ingebruikname van een pomp.

Superzuinige sproeidroger bij Arla

Industriële warmtepompen kunnen zich soms sneller terugverdienen, zoals bij Arla Svenstrup in Denemarken. Terugverdientijd van de hele installatie is naar verluidt 5 tot 7 jaar. Hier kan de bestaande sproeidroger met een capaciteit van 4 tot 5 ton per uur voortaan met de helft minder energie toe dankzij trans-kritische CO2-warmtepomptechnologie. De COP van deze ammoniakvrije installatie is met 3,6 niet eens heel hoog, maar reduceert emissies voor dit proces wel met 59%.

In het verleden werd de lucht voor het drogen met een stoomwarmtewisselaar naar 200 °C gebracht en ging deze met 70 °C naar de buitenlucht. Warmterecuperatie lag voor de hand. GEA bedacht een integrale oplossing die de restwarmte niet alleen benut voor zowel het voorverwarmen van de drooglucht als de productie van ijswater. Dit laatste door slim gebruik te maken van koud water dat overblijft na het strippen van de warmte.

Warmtepompen zijn storingsgevoelig als de warmteaanvoer fluctueert. Daarom is deze productiefaciliteit uitgevoerd met warmtebuffers. Die zorgen er vooral voor dat de warmtepomp op een constant niveau blijft draaien.

Klimaatdoelstellingen halen

De Europese klimaatdoelen verplichten de industrie te verduurzamen. De warmtepomp is een van de instrumenten in de klimaat-toolbox. Wie straks te veel uitstoot, mag een boete betalen. Niet verduurzamen kan daardoor in de papieren gaan lopen. Zeker is dat de procesindustrie flink zou vergroenen als die nu massaal voor de integratie van warmtepompen in zijn processen zou kiezen. Michel van der Pal van TNO becijferde de mogelijke milieuwinst. Waar bij een klassiek op fossiele brandstof geschoeide productie met stoomketels 100% van alle restwarmte de schoorsteen uitgaat, is dit bij een warmtepompgedreven proces met een COP van 4,0 slechts 25%. Ergo, van de geproduceerde warmte wordt 75% teruggewonnen. CO₂-emissies lopen daarbij terug van 100% naar 0 tot 33%, afhankelijk van hoe groen de opgewekte elektriciteit is. Interessant in dit kader is dat producenten die nu vooroplopen straks emissierechten kunnen verkopen aan bedrijven die niet voldoende vergroenen. Een mooie extra inkomstenbron om de aanschaf van een warmtepomp sneller terug te verdienen.

Demoprojecten warmtepompen

Op dit moment lopen er in Europees verband een aantal demoprojecten om drogen te combineren met warmtepompen: Dryficiency H2020, Spirit en PUSH2HEAT. Hierbij worden zowel compressiewarmtepompen aangedreven door elektriciteit als warmtegedreven types die restwarmte opwaarderen ingezet. Een van de projecten binnen Spirit is een warmtepomptoepassing op basis van compressie in een papierfabriek. Hier gaat de meeste energie zitten in de droogsectie, waar 36 cilinders de unit op 6 bara stoomdruk (bara = absolute stoomdruk) zetten. Stoom wordt hier dus ingezet om te drogen, waarbij heel wat restwarmte vrijkomt. In dit projectvoorbeeld wordt een Mechanical Vapour Compression (MVR)-warmtepomp toegepast die verdampte restwarmte comprimeert van 2 naar 6 bara om deze als herbruikbare stoom in te kunnen zetten. Dit is goed voor 0,8 MW thermische stoomproductie in deze opstelling.

Procesoptimalisatie een must

Het heeft pas echt zin een warmtepomp in te zetten als de gewone procesoptimalisaties – het laaghangende fruit – benut zijn. Een warmtepomp laat je bij voorkeur los op een geoptimaliseerd, zo energiezuinig mogelijk proces, was de boodschap. Cruciaal is de juiste integratie van de pomp in het proces. Dit luistert nauw, anders kan het met de rendementswinst tegenvallen. TNO’er Van der Pal adviseert klanten altijd eerst het droogproces te analyseren en op efficiëntie te beoordelen. Van der Pal gaf een demo van een procesanalyse met infraroodcamera’s in een drooginstallatie voor eierdoosjes. Uit de warmtebeelden was duidelijk te zien dat de luchtstroming niet bij de onderkant van de doosjes kon komen en dat de warmteverdeling in de installatie niet homogeen was. Dus moest er extra lang gedroogd worden. Met enkele modificaties bleek dit veel efficiënter te kunnen, met grote besparingen tot gevolg. Een warmtepomp alleen kan dit soort verliezen natuurlijk niet oplossen.

Tijdens het congres bleek dat fabrikanten lang niet altijd op zo’n procesanalyse zitten te wachten. ‘Doe maar een warmtepomp, maar torn niet aan het proces’, klinkt het regelmatig. Fabrikanten willen geen extra gedoe met de productie. Vaak leeft het idee dat processen al op orde zijn en niet toekunnen met bijvoorbeeld lagere drukken of minder lucht. Dit is dikwijls een onterechte aanname, bleek uit de diverse praktijkvoorbeelden op deze bijeenkomst.

Warmtepomp ook voor oude fabriek?

Heeft een warmtepomp zin in verouderde fabrieken? Zeker wel, bleek uit een praktijkvoorbeeld van de Noorse vismeelproducent Pelagia. De oudste fabriek binnen de onderneming bleek door het benutten van restwarmte rendabeler te kunnen draaien dan zijn nieuwere faciliteiten. Zo veel rendabeler zelfs dat een deel van de productie hiernaar werd overgeheveld. De door Aneo geïnstalleerde warmtepompinstallatie was goed voor een ‘Heat Pump Award’ voor best practices in Europese landen. De besparingen zijn indrukwekkend. Het proces gebruikt een stoomdroger, die zijn energie nu voor een belangrijk deel put uit door een warmtepomp gecomprimeerde ingangslucht met een temperatuur van 80-85 °C. Met een gemiddelde wekelijkse COP van 5,4 wordt tussen de 7,5 en 12 GWh per jaar bespaard. Per uur is er tussen de 300 en 600 liter olie minder nodig om het proces te laten lopen. Het systeem draaide break-even, maar is door de huidige, hoge gasprijzen winstgevend geworden.

Thermo-akoestisch stoom maken

Als iets deze dag duidelijk werd, is dat industriële warmtepompen nog pas aan het begin staan van hun opmars. De R&D is in volle gang. Zo kwam de door TNO ontwikkelde thermo-akoestische warmtepomp langs, die lucht comprimeert met geluidsgolven. Deze technologie heeft als plus dat zeer hoge temperaturen te halen zijn, er geen bewegende delen zijn, en de installatie goed is in te bouwen in een cv-ketel.

Het thermo-akoestisch systeem maakt het mogelijk om lucht met een lage temperatuur op een (zeer) hoog temperatuurniveau te brengen en zo bijvoorbeeld stoom te maken. Dit lukt in één stap, wat bij een gewone warmtepomp in een getrapte oplossing moet, met als gevolg rendementsverliezen. Het is het instituut al gelukt de 180 °C te halen. Het is echter nog te vroeg om te juichen. Er zijn bij de akoestische variant namelijk nog de nodige technische hobbels te nemen. Zo moet de geluidsgolf netjes door de warmtewisselaar gaan. Het zal daarom nog wel even duren voor de technologie marktrijp is. Voorlopig blijft het bij specialties, die per definitie duur zijn. De tijd zal leren of deze akoestische technologie grootschalig inzetbaar gaat worden in de industrie.

Voor industriële warmtepompen in ruimere zin geldt dat de adoptiefase nog even op zich zal laten wachten. Zolang de inzet van warmtepompen niet gemeengoed is, en serieproductie uitblijft, blijven de operationele kosten in de eerste jaren hoog en zullen veel bedrijven de kat uit de boom blijven kijken.