TECHNIEK  
Cool and Comfort 73 – mei 2017

Warmteterugwinning bij CO₂-koelinstallaties

Koel- en vriesinstallaties blazen vandaag hun warmte doorgaans gewoon af in de buitenlucht. AP Hogeschool Antwerpen deed met het vierjarige project ‘Warmteterugwinning bij CO₂-koelinstallaties’ onderzoek omtrent hoe die warmte best te benutten is. Dat leverde enkele markante inzichten op.

Aan AP Hogeschool Antwerpen is een koelinstallatie ontwikkeld waarmee warmte gerecupereerd kan worden voor, vooral industriële, toepassingen. “Om daarvoor nuttig te zijn, moet de afvalwarmte minstens 80 tot 85°C bedragen”, vertelt AP-opleidingshoofd Electromechanica Amedee Beylemans. “Bij een lagere temperatuur zou je eerst extra energie moeten toevoegen om uiteindelijk nieuwe energie te genereren; dat heeft geen nut.”

De ontwikkeling gebeurde in een project waarin de verdampingswarmte een hogere temperatuur heeft door CO₂ als koelmiddel te gebruiken. Zoals bekend, is CO₂ ozonvriendelijk en draagt het in vergelijking met andere koelstoffen veel minder bij aan het broeikaseffect. Bovendien ligt het energieverbruik van een CO₂-installatie 5 tot 15% lager dan bij installaties met een andere koelvloeistof.

Hoogcalorische warmte

“Onze opzet is dat de warmte wordt geleverd in functie van de vraag, welke die ook is”, legt coördinator van het project Bert Verhasselt uit. “De koeling gebeurt dus meer in functie van de warmtevraag dan in functie van de koelvraag. Meestal is het een industrieel proces dat de warmtevraag heeft. Zo zou het kunnen gaan over het reinigen van tanks. Daarvoor zijn temperaturen nodig van bijvoorbeeld 130°C. Als je gewoon de warmte zou recupereren van een koelinstallatie met een warmtewisselaar, zoals vandaag soms gebeurt, dan zou je tot bijvoorbeeld 80°C raken. Al de rest moet bijverwarmd worden. Maar wij passen onze installatie aan aan die warmtevraag, zodat we kunnen voldoen aan de vraag en warmte aan 130°C kunnen leveren. We passen de temperatuur én het debiet aan aan de vraag. Vroeger kon dat niet. Een belangrijke factor die de innovatie mogelijke maakte, is de keuze voor CO₂ als koelmiddel. CO₂ zit in een transkritisch gebied vanaf, theoretisch, 30°C. Als alle CO₂ in de gasfase is gekomen, kan er niet meer gas bijkomen; het gas kan wel heter worden. Dat is het transkritische gebied waarheen we de koelkring willen drijven.”

Amedee Beylemans: “Als we de druk van het koelmedium in onze installatie opvoeren, bereiken we in onze condensor temperaturen tot 110, 130, zelfs 140°C. Voordeel daarvan is dat het dan gaat over hoogcalorische warmte in plaats van laagcalorische. In een normale koelinstallatie halen we misschien 60 à 70°C; als je daar nog eens een warmtewisselaar op zet, die ook verliezen heeft, hou je op den duur nog warmte over van bijvoorbeeld 50°C. Met zo’n laagcalorische warmte kan je niet veel doen. Met de hoogcalorische warmte van onze installatie, daarentegen, wel.”

Energie-efficiëntie

In elke fase dat de onderzoekers aan warmterecuperatie doen, in functie van de warmtevraag, kijken ze naar wat de meest energievriendelijke manier is om daaraan te voldoen. Bert Verhasselt: “De standaard CO₂-koelmachine die je nu koopt, heeft standaard zijn druk ingesteld. Maar, zo kan je niet méér warmte daaruit krijgen. Met onze machine kunnen we de druk verhogen als er meer warmtevraag is. We kunnen de druk laten dalen zodra de warmtevraag daalt, en niet de compressor laten aftoeren – wat nu wél gebeurd met standaard CO₂-koelmachines. CO₂-componenten draaien vandaag constant op een condensortemperatuur van bijvoorbeeld 40°C, maar als je van daaruit koelt, verlies je een heel pak energie. Onze installatie pakt het anders aan. En in de toekomst komt er nog een parallelle compressie bovenop. Die heeft als voordeel dat we het gevormde gas met een aparte compressor zullen kunnen afvoeren, en niet langs de compressor die we nu gebruiken. Flashgas zullen we dan kunnen afvoeren door een kleinere, dus minder energie verbruikende compressor.”

“Met onze machine kunnen we de druk verhogen als er meer warmtevraag is, en de druk laten dalen zodra de warmtevraag daalt.”

Instelbare parameters

De installatie laat toe diverse parameters aan te passen, zoals druk, buitentemperatuur, koelvraag, vriesvraag en ventilatorsnelheid. Bert Verhasselt: “Een belangrijke parameter is bijvoorbeeld de buitentemperatuur. We zijn in staat in deze testopstelling onze machine aan een bepaalde buitentemperatuur te onderwerpen. Bijvoorbeeld, als het buiten 9°C is en we willen een test doen op 20°C, dan kunnen we de machine in die modi zetten. Anderzijds, als het 9°C is en we willen een test doen op 0°, dan kunnen we dat evengoed. We kunnen dus op voorhand zeggen aan een klant: deze configuratie, deze instellingen zullen de meest zuinige CoP opleveren. We zouden bijvoorbeeld kunnen zeggen welke compressor iemand nodig heeft. Zo zou iemand er goed kunnen aan doen te investeren in een iets zwaardere koelcompressor, omdat die dan meer gaat voldoen aan de warmtevraag. Het kost namelijk veel minder energie om gebruik te maken van warmte via een warmtepomp of koelinstallatie dan via een gasketel.”

Vervolg op komst

“De installatie doet aan cogeneratie: gelijktijdig opwekken van koude en warmte”, merkt Amedee Beylemans op. “In een vervolgproject willen we daarop voortbouwen. Dat wordt een project rond trigeneratie: gelijktijdig opwekken van warmte, koude en elektriciteit, om zo te komen tot een nulverlies van energie. Het opwekken van elektriciteit gaan we dan opnieuw vraaggestuurd maken.”

Aan het project dat nu afloopt, werkten diverse industriële partners mee, zoals onder meer een leverancier van compressors. Ook voor het vervolgproject kunnen zich nog industriële partners aanmelden. “Deelname aan het project is voor hen een verkoop, én zo kunnen ze kijken aan welk vermogen de volgende generatie compressoren moet ontwikkeld worden. Want de toekomst? Die ligt bij energierecuperatie”, besluit Bert Verhasselt.

Door Koen Vandepopuliere

www.ap.be/wetenschap-en-techniek/onderzoek/1788