De potentie van een stoomcompressie warmtepomp
Ing. Daan Scheepens
Het Fieldlab Industrial Electrification (FLIE) heeft als doel de ontwikkeling en implementatie van veelbelovende innovaties op het gebied van industriële elektrificatie te versnellen. Dit doen zij door de industrie kennis te bieden over de potentie van elektrificatie. De industrie kan er ook nieuwe technologie testen en gereed maken voor implementatie. Een van de deelnemers aan het Fieldlab is Standard Fasel B.V., een gespecialiseerd bedrijf in ketel- en brandertechniek. Het bedrijf is initiatiefnemer van een haalbaarheidsstudie naar de mogelijkheden van een stoomcompressie warmtepomp.
Ing. Daan Scheepens, process engineer en consultant bij Standard Fasel geeft uitleg: “Veel bedrijven gebruiken nog fossiele energie om proceswarmte te genereren en zijn op zoek naar duurzame alternatieven. Een kansrijke route is elektrificatie door implementatie van bijvoorbeeld een warmtepomp of elektrische boiler. Elektrische boilers hebben echter als nadeel dat ze niet altijd energiezuinig zijn Warmtepompen hebben het voordeel dat een groot deel van de geleverde energie kan worden onttrokken uit reststromen waarvan de energie-inhoud anders verloren zou gaan. De klassieke warmtepompen met een tussenmedium kunnen temperaturen bereiken tot maximaal 130 graden Celsius. In bedrijfstakken zoals food & beverage, zuivel, papierindustrie, wasserijen etc. zijn veelal hogere procestemperaturen noodzakelijk en is een warmtepompoplossing nog niet voorhanden. Daar verwachten wij met onze stoomcompressie warmtepomp waarmee temperaturen van 130 tot 200 graden Celsius kunnen worden bereikt, het stokje over te nemen. Dit temperatuurbereik biedt voor de genoemde bedrijfstakken zeker perspectief om succesvol te elektrificatieprojecten uit te voeren.”
Technologie
De stoomcompressie warmtepomp (“Steampump”) van Standard Fasel bestaat uit een vacuüm stoomketel met als warmtebron laagwaardige restwarmte en mechanische damprecompressie (mechanical vapor recompression) middels schroefcompressoren die de stoomproductie van de vacuüm stoomketel comprimeren. Deze “Steampump” is echter nog niet commercieel in productie, maar er wordt op dit moment gebouwd aan een proof of concept. Er is ook een octrooi op aangevraagd.
Steampump ‘proof of concept’ installatie
Haalbaarheidsstudie
“Om de potentie ervan te onderzoeken, hebben we in samenwerking met FLIE de technische en economische haalbaarheid ervan onderzocht. De haalbaarheidsstudie bestaat uit twee delen. Enerzijds een marktstudie. In samenwerking met Blueterra zijn locaties en energie-infrastructuur geïnventariseerd. Welke bedrijven leveren restwarmte en hebben behoefte aan procestemperaturen tot 200 graden Celsius? Met het antwoord op deze vraag weten we nu waar de potentie zit om de Steampump te kunnen vermarkten. Sommige bedrijven hebben louter restwarmte, andere bedrijven hebben alleen proceswarmte nodig terwijl weer andere bedrijven in beide vraagstukken voorzien.”
Warmtenetten
Er is ook gekeken naar bestaande warmtenetten die kunnen worden gebruikt om een en ander te faciliteren, eventueel met uitbreiding. “Qua potentieel ziet het er goed uit. Er liggen ook kansen in de omgeving van deze warmtenetten. De warmtenetten worden voornamelijk gebruikt voor gebouwverwarming waardoor een significant deel van de capaciteit buiten het stookseizoen onbenut blijft. Er liggen dus mogelijkheden om procesbedrijven gevestigd in de directe omgeving van zo’n warmtenet hieraan te koppelen. Hierdoor kunnen ze de proceswarmte die ze nodig hebben, verduurzamen. Dit is zeker het geval wanneer het betreffende warmtenet wordt gevoed met restwarmte.”
Klanten
De andere helft is een technische haalbaarheidsstudie die zich richtte op opdrachtgevers van Standard Fasel. “We hebben onderzocht hoe we de technologie bij deze bedrijven kunnen introduceren. Daarbij hebben we onder meer gekeken naar restwarmtestromen en de condities daarvan. Vaak is de restwarmte beschikbaar in de vorm van warme vochtige lucht afkomstig van droogprocessen, zoals bijvoorbeeld in de papierindustrie. Als je de kringloop kunt sluiten, heb je alleen wat warmte nodig om op te starten en kun je daarna zelfvoorzienend zijn.”
Elektrische capaciteit
Wel is een flinke elektrische aansluiting nodig. “Het voordeel van de Steampump in vergelijking met elektrische boilers is de efficiëntie. In een economische toepassing is de COP (Coëfficiënt of Performance) bij een warmtepomp 3 à 4, wat een minimum is om het economisch haalbaar te maken. Stel dat je 3 delen restwarmte en 1 deel elektrische energie nodig hebt, dan heb je een duurzame technologie in handen waarmee je je afhankelijkheid van fossiele brandstoffen aanzienlijk kunt afbouwen. Elektrische boilers bieden dit voordeel niet. Volgens de haalbaarheidsstudie zijn er veel processen waar een COP van 3 à 4 haalbaar is. Er is dus een veel potentieel voor deze technologie.”
Hoe nu verder?
Naast de haalbaarheidsstudie bouwt Standard Fasel ook aan een z.g. “proof of concept” c.q. prototype. “Deze zal in de tweede helft van dit jaar naar een testlocatie van TNO in Petten worden overgebracht waar hij aan een uitvoerig beproevingsprogramma zal worden onderworpen. Als uit de resultaten blijkt dat de technische haalbaarheid in orde is en alle systemen zonder problemen functioneren, zal Standard Fasel in de volgende fase samen met de industrie een full scale test uitvoeren.”
Het enthousiasmeren van marktpartijen voor het Steampump concept zal ook nog een uitdaging zijn. “Het is niet voor alle bedrijven vanzelfsprekend om restwarmte terug te winnen. Ook ontbreekt vaak kennis over stoomtechniek. Kennis delen is daarom heel belangrijk. Het Fieldlab Industrial Electrification en events als Industrial Heat & Power kunnen daarin een belangrijke rol spelen.”
FLIE is een initiatief van TNO, FME, Deltalinqs, InnovationQuarter en Port of Rotterdam. Het Fieldlab is mede mogelijk gemaakt door de Europese EFRO-subsidie en de steun van de overheid, Provincie Zuid-Holland, Gemeente Rotterdam en Plant One Rotterdam. Meer weten? Bekijk www.flie.nl.