Hoe kan je warmtepompen gebruiken om industriële processen te verbeteren?

Naarmate de wereld verder evolueert in de richting van duurzame praktijken, zijn industrieën voortdurend op zoek naar innovatieve manieren om industriële processen en het energieverbruik te optimaliseren en hun impact op het milieu te verminderen. Voor procesingenieurs die bij industriële fabrikanten werken, is het gebruik van industriële warmtepompen om teruggewonnen energie uit afvalwarmte op te waarderen een veelbelovende oplossing. Deze technologie heeft de potentie om niet alleen de energie-efficiëntie te verbeteren, maar ook bij te dragen aan emissiebeperking. In deze blog gaan we dieper in op de ins en outs van industriële warmtepompen en hoe ze kunnen worden ingezet om optimaal te profiteren van de terugwinning van afvalwarmte.

Waarom zijn industriële warmtepompen belangrijk?

De meeste fabrikanten realiseren zich dat ze onafhankelijk moeten worden van fossiele bronnen en elektrificatie moeten stimuleren om industriële processen koolstofvrij te maken. Op het gebied van industriële productie is de term“afvalwarmte” lang geassocieerd met inefficiëntie en verloren potentieel. Vooruitgang op het gebied van warmtepomptechnologie heeft echter een manier opgeleverd om waarde uit deze afvalwarmte te halen door deze op te waarderen tot bruikbare warmte met een hogere temperatuur. Dit proces vermindert niet alleen de afhankelijkheid van primaire energiebronnen, maar sluit ook aan bij duurzaamheidsdoelstellingen, waardoor het aantrekkelijk wordt voor procesingenieurs. Kortom, fabrikanten hebben de volgende redenen om warmtepompen te integreren in hun processen voor energieterugwinning:

• Opwaardering van teruggewonnen (laagwaardige) restwarmte
• Groot kostenbesparingspotentieel
• Bewezen en betrouwbare technologie met een breed scala aan toepassingen
• Verbetering van de algehele efficiëntie van het warmteterugwinningssysteem in combinatie met hoge temperatuur warmtepompen
• Duidelijke CAPEX en aanzienlijke OPEX-verbeteringen

Wat is een industriële warmtepomp?

Laten we, voordat we ingaan op de details, eerst definiëren wat een industriële warmtepomp is. In wezen is een warmtepomp een apparaat dat thermische energie overbrengt van een bron met een lagere temperatuur naar een put met een hogere temperatuur door middel van mechanische arbeid of een kleine hoeveelheid externe energie. In de context van de industrie neemt een industriële warmtepomp afvalwarmte van een relatief lage temperatuur en“waardeert” dezeop tot een hogere temperatuur, waardoor het geschikt wordt voor verschillende toepassingen binnen het productieproces.

Een warmtepomp gebruikt warmte van een leverancier (bijvoorbeeld afkomstig van afvalwater van een gaswasser of hete lucht / proceswarmte van een stofverzamelingssysteem) van een lagere temperatuur naar een hogere temperatuur. Er is een grote verscheidenheid aan industriële warmtepompen, waardoor ze zeer aantrekkelijk zijn voor meerdere toepassingen en consumenten.

Hoe werkt een industriële warmtepomp?

Om te begrijpen hoe industriële warmtepompen energie uit afvalwarmte opwaarderen, moeten we ons verdiepen in de fundamentele werking van een warmtepompsysteem. In wezen werkt een industriële warmtepomp volgens dezelfde principes als een huishoudelijke koelkast, maar dan omgekeerd. Het brengt thermische energie over van een lage temperatuurbron naar een hoge temperatuurput door gebruik te maken van mechanische arbeid.

De basiscomponenten van een industrieel warmtepompsysteem zijn:

• Verdamper: De verdamper is de plek waar de afvalwarmtebron met een lage temperatuur, zoals uitlaatgassen of koelwater, in wisselwerking staat met een koelmiddel of werkvloeistof. De afvalwarmte zorgt ervoor dat het koelmiddel verdampt, waarbij energie wordt geabsorbeerd.
• Compressor: Het verdampte koelmiddel wordt vervolgens samengeperst door een compressor. Het comprimeren van het gas verhoogt de temperatuur en druk, wat resulteert in een gas met een hoge temperatuur en druk.
• Condensor: Het gas met hoge temperatuur en hoge druk wordt door de condensor geleid, waar het warmte afgeeft aan de hogetemperatuurput. Deze warmteoverdracht zorgt ervoor dat het koelmiddel weer condenseert in vloeibare toestand.
• Expansieventiel: Het gecondenseerde vloeibare koudemiddel gaat vervolgens door een expansieventiel of smoorklep. Deze expansie zorgt ervoor dat het koudemiddel snel afkoelt en verdampt, waardoor de temperatuur en druk dalen en het weer klaar is voor de verdamper.

Door deze processen te doorlopen brengt het warmtepompsysteem continu warmte over van de afvalwarmtebron naar de warmteput met een hogere temperatuur, waarbij de thermische energie onderweg wordt opgewaardeerd. Deze opgewaardeerde warmte kan vervolgens worden gebruikt voor verschillende industriële processen die hogere temperaturen vereisen, zoals stoomopwekking of industrieel drogen.

Het vermogen van een industriële warmtepomp om afvalwarmte op te waarderen ligt in het vermogen om thermische energie tegen de natuurlijke temperatuurgradiënt in te “pompen”. Dit proces vereist inputenergie, meestal in de vorm van elektriciteit om de compressor aan te drijven. De energie die wordt gewonnen uit de afvalwarmte wordt dus versterkt en opgewaardeerd tot een waardevollere vorm, waardoor een netto voordeel ontstaat in termen van energiegebruik en efficiëntie.

Samenvattend is een industriële warmtepomp een geavanceerd energieopwaardeersysteem dat afvalwarmte met een lage temperatuur via een reeks thermodynamische processen omzet in bruikbare warmte met een hoge temperatuur. Door gebruik te maken van deze principes kunnen procesingenieurs de energie-efficiëntie maximaliseren, emissies verminderen en bijdragen aan duurzame industriële praktijken.

Hoe gebruik je een warmtepomp om industriële restwarmte op te waarderen?

Het proces van het opwaarderen van industriële restwarmte met behulp van warmtepompen omvat verschillende belangrijke stappen:

• Identificatie van warmtebronnen: Identificeer bronnen van afvalwarmte binnen het industriële proces, zoals uitlaatgassen, koelwater of processtromen. Deze bronnen moeten een temperatuurgradiënt hebben die ze geschikt maakt voor integratie in een warmtepomp.
• Warmtepomp selecteren: Kies een geschikt warmtepompsysteem op basis van factoren zoals het temperatuurverschil tussen de afvalwarmtebron en het gewenste vermogen, en de vereiste warmtecapaciteit. Er zijn verschillende soorten warmtepompen, waaronder luchtwarmtepompen, waterwarmtepompen en geothermische warmtepompen, elk met hun eigen voordelen en beperkingen.
• Warmte-uitwisseling en opwaardering: Het warmtepompsysteem onttrekt thermische energie aan de afvalwarmtebron met behulp van een koelmiddel of werkvloeistof. Door compressie- en expansiecycli toe te passen, waardeert de warmtepomp de energie op tot een hoger temperatuurniveau, waardoor deze bruikbaar wordt voor specifieke industriële processen.

Wat zijn leveranciers van industriële restwarmte?

Industriële restwarmte is te vinden in verschillende processen, waaronder:

• Uitlaatgassen: Energierijke uitlaatgassen van verbrandingsprocessen, zoals die van ketels of ovens.
• Koelwater: Warm water dat wordt gebruikt voor koeldoeleinden in verschillende industriële toepassingen zoals industriele scrubbers.
• Processtromen: stromen vloeistoffen die worden gebruikt in productieprocessen, die aanzienlijke hoeveelheden thermische energie kunnen vervoeren.

Op het gebied van emissiebeheersing maken we vaak gebruik van de verwarmde wasvloeistof. Zie meer Energy Recovery Scrubber of de hete lucht die wordt gegenereerd door stofopvangsystemen.

Wat is de ‘Coefficient of Performance’ (COP) bij het gebruik van warmtepompen?

De prestatiecoëfficiënt (COP) is een cruciale maatstaf bij het evalueren van de efficiëntie van een warmtepomp. Deze wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de opgewaardeerde warmteafgifte en de energie die nodig is om de warmtepomp te laten werken. Met andere woorden, het is het verschil tussen de totale energie die een systeem binnenkomt en verlaat.

Een hogere COP wijst op een grotere efficiëntie in het gebruik van afvalwarmte voor nuttige doeleinden. Ingenieurs moeten rekening houden met de COP bij het selecteren en ontwerpen van warmtepompsystemen om optimale energiebesparingen te garanderen.

Wanneer een warmtepomp een COP-waarde van 5 heeft, betekent dit dat de toevoeging van 1 kW elektrische energie nodig is om 4 kW warmte aan de condensor af te geven. Aan de verdamperzijde wordt 4-4,5 kW warmte onttrokken. De extra warmte wordt gegenereerd door de compressor.

Welke koelingsmiddelen worden gebruikt voor industriële warmtepompen

Bij industriële warmtepompsystemen speelt de keuze van koelmiddelen een cruciale rol bij het garanderen van een efficiënte en milieuverantwoorde werking. Koelmiddelen zijn stoffen die in de warmtepompcyclus worden gebruikt om warmte van de lage-temperatuurbron over te brengen naar de hoge-temperatuurput. Het is echter belangrijk op te merken dat niet alle koelmiddelen gelijk zijn wat betreft hun impact op het milieu.

In het verleden gebruikten veel warmtepompsystemen chloorfluorkoolstoffen (CFK’s) en chloorfluorkoolwaterstoffen (HCFK’s) als koelmiddel. Deze stoffen hadden weliswaar effectieve warmteoverdrachtseigenschappen, maar vormden een aanzienlijke bedreiging voor de ozonlaag en hadden een hoog aardopwarmingsvermogen (GWP). Als reactie op de bezorgdheid over het milieu is er een wereldwijde inspanning geweest om het gebruik van dergelijke koelmiddelen geleidelijk uit te bannen.

Moderne industriële warmtepompsystemen gebruiken voornamelijk fluorkoolwaterstoffen (HFK’s) en fluorwaterstofolefinen (HFO’s) als koelmiddel. Hoewel deze verbindingen een aanzienlijk lager ozonafbrekend vermogen hebben in vergelijking met oudere koelmiddelen, hebben ze nog steeds een relatief hoog aardopwarmingsvermogen. Daarom is er een groeiende trend naar milieuvriendelijke koelmiddelen met een laag aardopwarmingsvermogen.

Natuurlijke koudemiddelen zoals ammoniak (NH3), kooldioxide (CO2) en koolwaterstoffen (propaan, butaan) worden steeds populairder in industriële warmtepomptoepassingen vanwege hun minimale impact op het milieu. Ammoniak heeft bijvoorbeeld uitstekende warmteoverdrachtseigenschappen en een verwaarloosbare invloed op de opwarming van de aarde, waardoor het een geschikte keuze is voor verschillende industriële processen.

Bij de selectie van een koudemiddel moet rekening worden gehouden met factoren als:

• Efficiëntie van warmteoverdracht
• Veiligheid
• Impact op het milieu
• Naleving van de regelgeving

Procesingenieurs moeten deze factoren zorgvuldig afwegen om er zeker van te zijn dat het gekozen koudemiddel zowel aan de prestatie- als duurzaamheidsdoelstellingen voldoet. De keuze van het koudemiddel voor industriële warmtepompen heeft een grote invloed op de totale efficiëntie en ecologische voetafdruk van het systeem. Naarmate de industrie duurzaamheid als prioriteit blijft stellen, zal het gebruik van natuurlijke koudemiddelen met een laag GWP waarschijnlijk steeds meer ingang vinden, wat bijdraagt aan een groenere en meer verantwoorde benadering van de terugwinning en het gebruik van energie.

Hoge temperatuur warmtepompen

De meeste industriële warmtepompen werken als koelmachines of als warmtepompen met een gemiddelde temperatuur voor de productie van warm water. Stoomopwekking vereist hogere temperatuurniveaus, wat zowel technische als praktische uitdagingen met zich meebrengt bij de ontwikkeling van nieuwe warmtepompen. Een van deze uitdagingen is de keuze van een geschikt koelmiddel. Zie onderstaande afbeelding voor typische temperatuurbereiken van industriële warmtepompen.

Er zijn verschillende spelers in de industrie die nieuwe technologieën ontwikkelen om warmtepompen in staat te stellen te werken bij temperaturen die nodig zijn voor stoomopwekking, en verschillende van de meer veelbelovende worden gerevieerd en voorgesteld tijdens pre-engineeringstudies voor meerdere klanten. Lees ook ‘De beste leveranciers van hogetemperatuur-warmtepompen vergelijken‘ voor meer informatie.

Hoe zijn warmtepompen gerelateerd aan emissiebeheersing?

Integratie van warmtepompen verbetert niet alleen de energie-efficiëntie, maar draagt ook bij aan emissiebeperking. Door gebruik te maken van restwarmte verminderen fabrikanten de behoefte aan extra verbruik van fossiele brandstoffen, wat op zijn beurt leidt tot een vermindering van de uitstoot van broeikasgassen. Dit sluit aan bij de wereldwijde duurzaamheidsdoelstellingen en wettelijke vereisten, waardoor warmtepompen een waardevol hulpmiddel zijn bij het nastreven van groenere productieprocessen.

Concluderend kan worden gesteld dat het gebruik van industriële warmtepompen voor het opwaarderen van teruggewonnen energie uit afvalwarmte een veelbelovende weg is voor procesingenieurs in de industriële sector. Door afvalwarmtebronnen te identificeren, geschikte warmtepompsystemen te selecteren en de prestatiecoëfficiënt (CoP) te optimaliseren, kunnen ingenieurs de energie-efficiëntie verbeteren, emissies verminderen en bijdragen aan een duurzamere toekomst voor industriële productie. Aangezien industrieën zich blijven ontwikkelen, kan de integratie van warmtepomptechnologie een cruciale stap zijn in het bereiken van zowel economische als milieudoelstellingen.