Hoe kan je warmtepompen gebruiken om industriële processen te verbeteren?

Fabrikanten zijn voortdurend op zoek naar innovatieve manieren om industriële processen en energieverbruik te optimaliseren en hiermee hun impact op het milieu te verminderen. Voor procesingenieurs die bij industriële fabrikanten werken, is een veelbelovende oplossing het gebruik van industriële warmtepompen om teruggewonnen energie uit restwarmte op te waarderen. Deze technologie heeft het potentieel om niet alleen de energie-efficiëntie te verbeteren, maar ook bij te dragen aan de inspanningen op het gebied van emissiebeheersing. In deze blog gaan we in op de ins en outs van industriële warmtepompen en hoe deze kunnen worden ingezet om het meeste uit restwarmteterugwinning te halen.

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 wordt de term “restwarmte” al lang geassocieerd met inefficiëntie en verloren potentieel. Vooruitgang in warmtepomptechnologie biedt echter een manier om waarde uit deze restwarmte te halen door deze op te waarderen tot nuttige warmte met een hogere temperatuur. Dit proces vermindert niet alleen de afhankelijkheid van primaire energiebronnen, maar sluit ook aan bij duurzaamheidsdoelstellingen, waardoor het een aantrekkelijke mogelijkheid is voor procesingenieurs. Samengevat hebben fabrikanten de volgende redenen om warmtepompen te integreren in hun energieterugwinningsprocessen:

• 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?

Voordat we ingaan op de details, laten we eens definiëren wat een industriële warmtepomp is. In de kern is een warmtepomp een apparaat dat thermische energie overbrengt van een bron met een lagere temperatuur naar een warmteafgiftepunt (heat sink) met een hogere temperatuur met behulp van mechanisch werk of een kleine hoeveelheid externe energie. In de context van de procesindustrie neemt een industriële warmtepomp restwarmte op een relatief lage temperatuur op en “upgradet” deze naar een hogere temperatuur, waardoor deze geschikt is voor verschillende toepassingen binnen het productieproces of als verwarmingsbron.

Een warmtepomp gebruikt warmte van een leverancier (bijvoorbeeld gemaakt van afvalwater van een scrubber of hete lucht / Proceswarmte van een ontstoffingssysteem) van een lagere temperatuur naar een hogere temperatuur. Er is een grote verscheidenheid aan industriële warmtepompen die het zeer aantrekkelijk maakt voor meerdere toepassingen en consumenten. Lees hier meer over de beste leveranciers van industriele warmtepompen.

Hoe werkt een industriële warmtepomp?

Om te begrijpen hoe industriële warmtepompen teruggewonnen energie uit restwarmte upgraden, moeten we ons verdiepen in de fundamentele werking van een warmtepompsysteem. In de kern werkt een industriële warmtepomp volgens dezelfde principes als een koelkast, maar dan omgekeerd. Het brengt thermische energie over van een lagetemperatuurbron naar warmteafgifte (koellichaam of ‘heat sink’) met hoge temperatuur door gebruik te maken van mechanisch werk.

De basiscomponenten van een industrieel warmtepompsysteem zijn:

• Verdamper: De verdamper is waar de lage temperatuur restwarmtebron, zoals uitlaatgassen of koelwater, reageert met een koelmiddel of werkvloeistof. De restwarmte zorgt ervoor dat het koelingsmiddel verdampt en daarbij energie opneemt.
• Compressor: Het verdampte koelingsmiddel wordt vervolgens gecomprimeerd door een compressor. Het comprimeren van het gas verhoogt de temperatuur en druk, wat resulteert in een gas met hoge temperatuur en hoge druk.
• Condensor: Het hogetemperatuurgas onder hoge druk wordt door de condensor geleid, waar het warmte afgeeft met een hoge temperatuur. Deze warmteoverdracht zorgt ervoor dat het koelingsmiddel weer condenseert tot een vloeibare toestand.
• Expansieventiel: Het gecondenseerde vloeibare koelmiddel gaat vervolgens door een expansieventiel of smoorinrichting (throttling device). Deze uitzetting zorgt ervoor dat het koelingsmiddel snel afkoelt en verdampt, waardoor de temperatuur en druk worden verlaagd en het opnieuw wordt voorbereid op de verdamper.

Door deze processen te doorlopen, draagt het warmtepompsysteem continu warmte over van de restwarmtebron naar de hogere temperatuurput, waardoor 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 restwarmte op te waarderen ligt in het vermogen om thermische energie te “pompen” tegen de natuurlijke temperatuurgradiënt. Dit proces vereist inputenergie, meestal in de vorm van elektriciteit om de compressor van stroom te voorzien. De energie die uit de restwarmte wordt gewonnen, wordt zo versterkt en opgewaardeerd tot een waardevollere vorm, waardoor een nettovoordeel ontstaat in termen van energiegebruik en efficiëntie.

Kortom, een industriële warmtepomp is een geavanceerd energieopwerkingssysteem dat lage temperatuur restwarmte omzet in hoge temperatuur bruikbare warmte door middel van een reeks thermodynamische processen. 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 restwarmte binnen het industriële proces, zoals uitlaatgassen, koelwater of processtromen. Deze bronnen moeten een temperatuurgradiënt hebben die ze geschikt maakt voor warmtepompintegratie.
• Warmtepomp selectie: Kies een geschikt warmtepompsysteem op basis van factoren zoals het temperatuurverschil tussen de restwarmtebron en de gewenste output, evenals de vereiste warmtecapaciteit. Er zijn verschillende soorten warmtepompen, waaronder luchtbron, waterbron en geothermische energie, elk met zijn eigen voordelen en beperkingen.
• Warmte-uitwisseling en upgrade: Het warmtepompsysteem haalt thermische energie uit de restwarmtebron met behulp van een koelmiddel of werkvloeistof. Door compressie- en expansiecycli toe te passen, tilt de warmtepomp de energie op naar 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.

Binnen het gebied van emissiebeheersing maken we vaak gebruik van de verwarmde wasvloeistof. Zie ook ‘Energy Recovery Scrubber‘ of de hete lucht die wordt gegenereerd door stofafzuigsystemen.

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

De Coefficient of Performance (COP) is een cruciale maatstaf bij het evalueren van het rendement van een warmtepomp. Het wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de verbeterde warmteafgifte en de inputenergie 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 duidt op een grotere efficiëntie bij het gebruik van restwarmte voor nuttige doeleinden. Ingenieurs moeten COP overwegen 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 vrij te geven bij de condensor. 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

Als het gaat om industriële warmtepompsystemen, speelt de keuze van koelingsmiddel een cruciale rol bij het waarborgen van een efficiënte en milieuverantwoorde werking. Koudemiddelen zijn stoffen die binnen de warmtepompcyclus worden gebruikt om warmte over te brengen van de lagetemperatuurbron naar de hogetemperatuurgootsteen. Het is echter belangrijk op te merken dat niet alle koudemiddelen gelijk zijn gemaakt in termen van hun impact op het milieu.

In het verleden gebruikten veel warmtepompsystemen chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK’s) en chloorfluorkoolwaterstoffen (HCFK’s) als koelmiddelen. Deze verbindingen, hoewel effectief in hun warmteoverdrachtseigenschappen, vormden een aanzienlijke bedreiging voor de ozonlaag en hadden een hoog aardopwarmingsvermogen. Als reactie op milieuoverwegingen is er een wereldwijde inspanning geleverd om het gebruik van dergelijke koudemiddelen geleidelijk af te bouwen.

Moderne industriële warmtepompsystemen gebruiken voornamelijk fluorkoolwaterstoffen (HFK’s) en fluoroolefinen (HFO’s) als koelmiddelen. Hoewel deze verbindingen een aanzienlijk lager ozonafbrekend vermogen hebben in vergelijking met oudere koudemiddelen, hebben ze nog steeds een relatief hoog aardopwarmingsvermogen. Als gevolg hiervan is er een groeiende trend in de richting van het gebruik van low-global-warming-potential (low-GWP) en milieuvriendelijke koelingsmiddelen.

Natuurlijke koudemiddelen, zoals ammoniak (NH3), koolstofdioxide (CO2) en koolwaterstoffen (propaan, butaan), winnen aan tractie in industriële warmtepomptoepassingen vanwege hun minimale impact op het milieu. Ammoniak heeft bijvoorbeeld uitstekende warmteoverdrachtseigenschappen en een verwaarloosbare impact 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 ervoor te zorgen dat het gekozen koudemiddel in overeenstemming is met zowel prestatie- als duurzaamheidsdoelstellingen. De keuze van het koudemiddel voor industriële warmtepompen heeft een aanzienlijke impact op de algehele efficiëntie en ecologische voetafdruk van het systeem. Naarmate industrieën prioriteit blijven geven aan duurzaamheid, zal de toepassing van lage GWP en natuurlijke koudemiddelen waarschijnlijk wijdverspreider worden, wat bijdraagt aan een groenere en meer verantwoorde benadering van energieterugwinning en -gebruik.

Hoge temperatuur warmtepompen

De meeste industriële warmtepompen werken als koelmachines of warmtepompen op gemiddelde temperatuur voor de productie van warm water. Stoomopwekking zou hogere temperatuurniveaus vereisen, die zowel technische als praktische uitdagingen vormen bij de ontwikkeling van nieuwe warmtepompen. Een van die uitdagingen is de selectie van een geschikt koudemiddel. Zie figuur hieronder 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 blog ‘Vergelijking van de beste Hoge Temperatuur Warmtepompen leveranciers’ voor meer informatie.

Hoe zijn warmtepompen gerelateerd aan emissiebeheersing?

De integratie van warmtepompen verbetert niet alleen de energie-efficiëntie, maar kan ook bijdragen aan de inspanningen op het gebied van emissiebeheersing. Door gebruik te maken van restwarmte verminderen fabrikanten de behoefte aan extra verbruik van fossiele brandstoffen, wat op zijn beurt leidt tot een afname van de uitstoot van broeikasgassen die ook weer minder door scrubbers afgevangen hoeven te worden. Dit sluit aan bij de wereldwijde duurzaamheidsdoelstellingen en wettelijke vereisten, waardoor warmtepompen een waardevol hulpmiddel zijn bij het nastreven van groenere productieprocessen.

Kortom, het gebruik van industriële warmtepompen om teruggewonnen energie uit restwarmte op te waarderen, biedt een veelbelovende weg voor procesingenieurs in de industriële sector. Door restwarmtebronnen te identificeren, geschikte warmtepompsystemen te selecteren en de Coefficient of Performance (CoP) te optimaliseren, kunnen ingenieurs de energie-efficiëntie verbeteren, emissies verminderen en bijdragen aan een duurzamere toekomst voor industriële productie. Naarmate industrieën zich blijven ontwikkelen, kan de integratie van warmtepomptechnologie een cruciale stap zijn in de richting van het bereiken van zowel economische- als milieudoelstellingen.