Industrial Heat Pumps

 

Elektrificatie van een industrieel proces


31-10-2018

'We moeten van het gas af’. Diverse ontwikkelingen zorgen ervoor dat deze oproep steeds luider klinkt. Maar kan dat wel? En hoe bereiken we dat binnen industriële processen? Op Industrial Heat & Power heeft De Kleijn onderstaande presentatie gegeven om inzicht te geven in de ontwikkelingen die dit mogelijk kunnen maken.

Aanleiding
Op 6 september 2013 heeft Nederland een Energieakkoord opgesteld om de verduurzaming te bevorderen. Voor de industrie en agrosector geldt dat er 34PJ aan energie (3,5%) (1) in 2020 bespaard moet worden ten opzichte van 1990. Om dit te bewerkstelligen zijn er allerlei instrumenten die hierbij ondersteuning bieden, zoals ETS (emissiehandel), MJA3/MEE (Meerjarenafspraken energiebesparing), Wet milieubeheer (energiebesparingsplicht) en de energie-audit verplichting vanuit de EED.

Op de klimaatconferentie in Parijs heeft de Europese unie vastgesteld dat er 27% aan energie bespaard moet worden in 2030 en er 80-95% broeikasgasreductie in 2050 ten opzichte van 1990 moet zijn. Binnen de emissiehandel is de uitstoot van CO2 in 2018 driemaal zo duur geworden ten opzichte van 2017.

De winning van Gronings aardgas wordt in 2030 volledig gestopt. Om het gebruik van aardgas terug te dringen wordt de energiebelasting op aardgas verhoogd. De energiebelasting op elektriciteit daarentegen gaat omlaag.

Schillenmodel elektrificatie
Stappenplan
Al deze ontwikkelingen stimuleren groen elektrificeren. Met elektrificeren wordt bedoeld processen om bouwen van aardgas naar elektriciteit. De elektriciteit wordt door middel van duurzame energiebronnen opgewekt. Wat zijn de stappen om processen te elektrificeren?

Het schema hiernaast bevat een stappenplan om een industrieel proces te elektrificeren.

De huidige warmtevoorziening van het bedrijfsleven opwekken met elektriciteit heeft de volgende impact:

Het zal een combinatie van energieopwekkers worden, echter blijft de impact groot. Het huidige elektriciteitsnet is hierop niet uitgelegd. De boodschap is dan ook om eerst het energieverbruik te reduceren voordat de energie (vaak warmte) wordt opgewekt met elektriciteit.

De eerste stap, zoals ook te zien is in het schema, is alternatieven zoeken voor verwarming met aardgas binnen het proces. Aardgas wordt veel gebruik voor het verwarmen van producten voor sterilisatie, pasteurisatie, scheiding, smelten, verdampen etc.

Alternatieven
Elektriciteit kan worden omgezet in verschillende lichtgolven zoals UV-straling, microgolven etc. Vaak wordt een hoge energie inhoud gepulseerd toegepast waardoor het gemiddelde energieverbruik zeer laag is. Een voorbeeld hiervan is PEF (Pulsed Electric Field). De techniek kan dienen als vervanging voor pasteuriseren, steriliseren en voorverwarmers. Een andere toepassing is het gebruik van plasma’s. De opmars van plasma leidt tot hoge energiebesparingen, bijvoorbeeld voor de productie van PV-panelen, reinigen van katalysatoren etc.

Elektriciteit kan ook direct worden omgezet in mechanische energie (elektromotor) zonder een al te hoog rendementsverlies. Rendementen van 98% zijn haalbaar terwijl aardgas tussen de 33-55% varieert. Procescondities kunnen eenvoudiger worden gewijzigd dan met aardgas. Een voorbeeld is HPP (High Pressure Processing). Producten worden in verpakking op circa 60.000 bar gebracht. Door de hoge druk worden bacteriën gedood, wat de houdbaarheid verlengt.

Indien warmte nog steeds van toepassing is, dan is het van belang om de temperatuur van de warmte dicht bij de procestemperatuur te krijgen. Door wisselaars met een groter oppervlak toe te passen, kan een lagere temperatuur vaak volstaan. Het proces wordt efficiënter doordat er minder stralingsverliezen zijn, meer energiestromen kunnen worden ingezet en hogere rendementen worden bereikt bij de opwekking van de warmte. Voor sommige processen is hierdoor geen stoom of thermische olie meer nodig. Eventuele directe stoominjectie kan worden bereikt door de toepassing van elektrische stoombevochtigers.

De tweede stap is om restwarmte direct in te zetten. Om de opwarmende en afkoelende energiestromen in kaart te brengen van een fabriek is de Pinch-analyse een handige methodiek. De Pinch-analyse geeft inzicht in welke energiestromen uitgewisseld kunnen worden. Uitleg van de Pinch-analyse is te vinden via deze link. Vaak liggen processen waarbij warmteuitwisseling toepasbaar is niet naast elkaar of is het, wegens voedselveiligheid, niet gewenst om dit direct te doen. Bij indirecte warmte uitwisseling wordt een medium ingezet om energie uit te wisselen. Circa 5% aan energie wordt gebruikt voor pompen en/of ventilatoren. Een voorbeeld van directe uitwisseling is te vinden via deze link. De operationele kosten worden op deze wijze verlaagd (OPEX), daar staat een eenmalige kapitale investering (CAPEX) tegenover.

De derde stap is de inzet van warmtepompen, geothermie en warmtenetten. Niet alle energiestromen matchen goed doordat een reststroom een te lage temperatuur heeft ten opzichte van het opgewarmde product. Om deze warmte toch te gebruiken kan deze worden opgewaardeerd met een warmtepomp, of worden geleverd aan een warmtenet.

Warmtepomp
Met een warmtepomp wordt de temperatuur van de reststroom verhoogd. De uitleg van een warmtepomp is te vinden via deze link. De maximaal te bereiken temperatuur met een warmtepomp is momenteel 130°C (op basis van commercieel verkrijgbare units). Door warmtepompen toe te passen wordt het bereik van het uitwisselen van energiestromen binnen een fabriek groter. Een voorbeeld waarbij stap 2 en 3 aan bod komt, is te vinden via deze link.

Warmtenet
Fabrieken waarbij veel warmte vrijkomt kunnen mogelijk warmte leveren aan andere bedrijven of woningen die aan een lagere temperatuur warmte voldoende hebben. Hiervoor worden op steeds meer plaatsen warmtenetten aangelegd. Op het warmtenet worden tal van afnemers gekoppeld. Hierdoor kan de industrie energiestromen uitwisselen. Over het algemeen worden hiervoor temperaturen van maximaal 100°C gehanteerd.

Geothermie
Met geothermie wordt water door middel van aardwarmte opgewarmd. Hiervoor zijn boringen in de aardkorst nodig en deze boringen zijn erg kostbaar. Toepassingen zijn momenteel haalbaar tot een temperatuur van ongeveer 100°C.

De vierde stap is de inzetbaarheid van biogas, groengas, waterstof of elektrische verwarming. Biogas en groengas vallen niet onder elektrificeren. Waterstof kan d.m.v. elektrolyse worden opgewekt. Waterstof kan in de toekomst een grotere rol gaan spelen, maar is momenteel nog duur en de infrastructuur is nog niet aanwezig.

Elektrische verwarming kan met elektrische boilers die zeer hoge temperaturen kunnen halen. De vermogens zijn vaak fors waardoor de aansluiting op het elektriciteitsnet niet altijd mogelijk is. Door met buffers te werken kan de aansluitcapaciteit worden verlaagd. De operationele kosten van deze kosten zijn wel hoger dan de alternatieven. Het rendement van elektriciteit naar warmte is nagenoeg 100%.

Wilt u meer informatie over elektrificatie van uw proces? Neem dan vooral contact met ons op!

Meer nieuwsberichten