KOELATLAS  
Cool and Comfort 103 – november 2024

Warmtepompen voor de industrie

De Vlaamse industrie wordt gekenmerkt door een sterke aanwezigheid van energie-intensieve sectoren, zoals de chemische industrie, de staalindustrie, en de voedingsmiddelenindustrie. Het energieverbruik binnen de Vlaamse industrie is aanzienlijk: het is ongeveer ¼ van het totale energiegebruik in Vlaanderen, wat overeenkomt met 102 TWh. Hiervan gaat ongeveer 41 TWh naar de chemie, 11 TWh naar de voedingsector, en 21 TWh naar ijzer/staal-verwerking. De overige verbruikers zijn kleinere sectoren zoals o.a. textiel- of papierverwerking (bron: VEKA, cijfers van 2022).

Door Maité Goderis (UGent), Steven Lecompte (UGent)

In Vlaanderen wordt een groot deel van de energie in de industrie gebruikt voor het produceren van warmte. Dit gebeurt vooral door de verbranding van fossiele brandstoffen zoals aardgas. Hoewel fossiele brandstoffen nog steeds een dominante rol spelen in het energiegebruik, is er een toenemende druk om de overstap te maken naar duurzamere energiebronnen en technologieën die helpen de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Dit sluit aan bij de klimaatdoelstellingen van de Europese Unie en de Vlaamse regering, die streven naar een koolstofneutrale economie tegen 2050. Een van de belangrijkste technologieën die in deze overgang een cruciale rol kunnen spelen, is de hogetemperatuurswarmtepomp.

Onderstaande figuur geeft een overzicht van welke temperaturen nodig zijn voor specifieke processen in verschillende industriële sectoren (bron: Arpagaus (2018) High temperature heat pumps). De figuur toont ook dat voor toepassingen tot 100°C industriële warmtepompen commercieel voorhanden zijn. Voor iets hogere temperaturen zijn ook toepassingen te vinden. Voor deze temperaturen, vanaf ongeveer 140°C, zit de warmtepomp-technologie echter nog in de ontwikkelingsfase.

In wat volgt, wordt per industriële sector het potentieel van hogetemperatuurswarmtepompen besproken aan de hand van verschillende casestudies. Er worden enkele voorbeelden van state-of-the-art toepassingen binnen de sector aangehaald, alsook voorbeelden van toepassingen bij ons in Vlaanderen die reeds operationeel zijn of die onderzocht worden. We bekijken specifiek de chemische sector (incl. farmacie), voedingsindustrie en energie intensieve industrie (staal en cement). Onderstaande tabel geeft een overzicht van de besproken case studies.

Chemische sector

De chemische en farmaceutische sector in Vlaanderen is een van de meest energie-intensieve en technologisch geavanceerde industrieën. Vlaanderen huisvest een aantal van de grootste chemieclusters in Europa, met bedrijven die actief zijn in de productie van basischemicaliën, kunststoffen, geneesmiddelen, en andere gespecialiseerde producten. Deze sectoren hebben een aanzienlijke energiebehoefte, waarbij zowel warmte- als koude een sleutelrol spelen in de productie. Om concurrentieel te blijven en de milieu-impact te verminderen, worden warmtepompen steeds vaker gezien als een waardevolle technologie om energie-efficiëntie te verbeteren, vooral in het kader van restwarmtebenutting bij lage- en middentemperatuurprocessen.

De chemische en farmaceutische industrie heeft complexe temperatuurvereisten die variëren afhankelijk van het specifieke proces. Destillatie van chemicaliën vereist vaak temperaturen van 100 tot 200°C. Droging en verdamping gebeurt typisch tussen de 50 en 150°C.

GEA V XHP zuigercompressor

Tweetraps ammoniak warmtepomp bij Agfa Gevaert

Eind 2024 wordt op hun site in Mortsel een warmtepomp geïnstalleerd die moet zorgen voor een reductie in hun aardgasconsumptie. Verder zorgt de installatie door een doorgedreven integratie van de verschillende koel- en warmtebehoeftes voor een verbetering in de totale efficiëntie.

De installatie bestaat uit twee druktrappen. De lage trap bestaat uit twee schroefcompressoren van Mayekawa en de hoge trap uit twee zuigercompressoren van GEA van het type V XHP. Deze compressoren kunnen hoger dan 90°C condenseren.

CONTACT

thomas.decuyper@equans.com

Stoomcompressie bij Agfa Gevaert

Eind 2025 zullen twee stoomcompressoren worden geïnstalleerd bij Agfa Gevaert, deze zullen door Equans worden geïntegreerd in het energiesysteem. Dit type van ‘open warmtepomp’ gebruikt als werkingsmiddel rechtstreeks dezelfde water/stoom als gebruikt in de te verwarmen processen.

Bij Agfa Gevaert zal stoom op 0.3 bara (69°C) gecomprimeerd worden tot 7.2 bara (166°C). Om deze grote drukverhouding te bereiken zal een twee-traps compressor toegepast worden.

De lagedruk stoom wordt aangemaakt in een warmtewisselaar met 90°C water afkomstig van de WKK en/of warmtepomp. Er zullen twee compressoren in parallel worden geplaatst om het gevraagde debiet van 4,4 t/h te behalen.

CONTACT

margot.gutscoven@atlascopco.com

thomas.decuyper@equans.com

Voedingsindustrie

De Vlaamse voedingsindustrie is een cruciale economische sector die niet alleen voor een aanzienlijke productie zorgt, maar ook een hoog energiegebruik kent. In het streven naar meer duurzaamheid en kostenoptimalisatie wordt de toepassing van warmtepompen in deze sector steeds populairder, en dat vooral omdat de vereiste temperaturen in de voedingssector relatief laag liggen in vergelijking met andere industriële sectoren. Vaak is er in deze sector ook zowel een koude- als warmtevraag. Koelen of invriezen gebeurt typisch bij -20 tot 5°C, spoelen of schoonmaken bij 60 tot 100°C.

Bovendien ontstaat in veel processen in de voedingsindustrie restwarmte die traditioneel verloren gaat. Warmtepompen kunnen worden ingezet om deze restwarmte opnieuw te benutten. Dit kan door een add-on warmtepomp te installeren, die warmte- en koudevraag koppelt en zo warmte hergebruikt voor andere delen van het productieproces. Deze techniek is commercieel beschikbaar, heeft zijn betrouwbaarheid bewezen en laat toe warm water te produceren tot 85°C met bijvoorbeeld NH₃ schroefcompressoren en tot 95°C met NH₃ zuigercompressoren. Ondanks de beduidende energiebesparingen (COP’s van 4 en meer zijn mogelijk i.f.v. temperatuurniveaus) maakt de ongunstige prijsverhouding gas/elektriciteit het soms nog moeilijk tot een aantrekkelijke business case te komen voor deze projecten.

Naast de economische haalbaarheid is de technische haalbaarheid van belang, in het bijzonder een goede inpassing in de bestaande context met aandacht voor de aanwezige technische beperkingen en randvoorwaarden. Het beperkt houden van de temperatuursverhoging door de warmtepomp is sterk voordelig voor de efficiëntie. Zodanig is het (stelselmatig) ombouwen van stoomnetwerken (vaak op veel hogere temperatuur dan de nodige procestemperatuur) naar warm-waternetwerken een eerste stap voor veel bedrijven.

Noorse zuivelfabriek exclusief werkend met warmtepompen

Het betreft de eerste compleet gasloze zuivelfabriek in Noorwegen, waar alle benodigde warmte en koude wordt opgewekt en gevaloriseerd aan de hand van warmtepompen. Jaarlijks wordt er 43,4 miljoen liter melk verwerkt in deze compleet nieuwe faciliteit in Bergen (Noorwegen) met een oppervlakte van 20.000 m².

De hele fabriek is voorzien van ammoniak gebaseerde warmtepompen met een globaal koelvermogen van 2.400 kW en 2.500 kW aan verwarmingsvermogen. De temperaturen worden onderverdeeld in 6 buffertanks per temperatuurniveau.

CONTACT

www.sabroe.com

sabroe.products.benelux@jci.com

Gasloze oplossing voor Nederlandse zuivelindustrie

Bij de bouw van een nieuwe fabriek werd nagedacht om verder te verduurzamen. Voorheen werd gebruikt gemaakt van stoomketels op aardgas, maar men wenste specifiek de uitstoot van stikstof, NOx en CO₂ te verminderen. Hiervoor werd geopteerd voor een DualPAC of tweetraps warmtepomp voorzien van twee 16-cilinder compressoren.

De koudwaterproductie werd uitgelegd op -0.5°C uitgaande watertemperatuur; het heet water bij een vertrekwater temperatuur van +90°C. Een totaal vermogen van 2 MW voor de totale opstelling maakt aardgas overbodig.

CONTACT

www.sabroe.com

sabroe.products.benelux@jci.com

Gesloten-lus warmtepomp voor het drogen van tarwe

Agrana is een wereldwijde speler in fruit, zetmeel en suiker. Op hun site staat een tarwedroger, die lucht op hoge temperatuur vereist. De lucht wordt in twee stappen opgewarmd: eerst met een voorverwarm-warmtewisselaar met warm water komend van andere processen (residuele warmte). Vervolgens wordt de lucht naar de nodige temperatuur gebracht door warmte uitwisseling met stoom komend van een aardgasketel.

Om dit proces te verduurzamen, werd een warmtepomp ontwikkeld binnen het Europees project DryFiciency. Na het voorverwarmen van de lucht, wordt het warme water gebruikt als warmtebron voor de warmtepomp (70-80°C). Aan de condensorzijde wordt water opgewarmd dat vervolgens in een warmtewisselaar de lucht voor het drogen terug opwarmt. De warmtepomp kan 10% van de nodige warmte leveren aan de droger.

CONTACT

thomas.laminger@agrana.com

Veronika.Wilk@ait.ac.at

Warmtepomp voor het optimaliseren van restwarmte uit WKK voor moutproces

BOORTMALT is wereldleider op het gebied van mouterij met een productiecapaciteit van 3 miljoen ton. In de moutindustrie is efficiënte warmteterugwinning van groot belang. Hiertoe werden twee identieke warmtepompen geplaatst van elk ongeveer 750 kW voor het produceren van water van circa 75°C, gebruikmakend van de restwarmte uit zowel de rookgassen van een WKK (warmtekrachtkoppeling) als de intercooler van bijhorende gasmotor. Deze warmte wordt vervolgens nuttig gebruikt bij het mouten van gerst.

CONTACT

charles.dhulster@skt.be

Foto van de machinekamer, in beeld 2 schroefcompressorunits en helemaal rechts de warmtepompunit.

Warmtepomp bij industriële bakkerij

Binnen de industriële bakkerijsector komen verschillende temperaturen aan bod. Bij het voorbereiden van het deeg is koud water nodig. Wanneer het deeg klaar is moet het rijzen, wat gebeurt in warme rijskasten. Na het bakken van het deegwaar moet het product snel afgekoeld worden d.m.v. snelvriezers of vriestunnels waarna het bewaard wordt in een diepvriezer. Naast de productie zijn er ook nog bewaarfrigo’s voor grondstoffen voorzien als ook is er koeling nodig voor de klimatisatie van de ruimtes.

De koelinstallatie van Equans bij Lantmannen Unibake bestaat uit verschillende schroefcompressorunits van Mayekawa met luchtgekoelde condensors.

CONTACT

thomas.decuyper@equans.com

Verzadigde stoom van 75-80°C wordt opgewaardeerd tot ±140°C

Stoomwarmtepomp in de suikerindustrie

Een suikerbiet bestaat voor 75% uit water. Er is stoom nodig om de suiker van het water te scheiden en om zo de suiker te laten uitkristalliseren. De productie van suiker is dus een energie-intensief proces.

In het proces bij de Tiense Suikerraffinaderij wordt de suikeroplossing door een meertraps verdampingslijn gestuurd. Momenteel wordt de stoom opgewekt door een ketel met fossiele brandstoffen. Het doel van deze demonstratie is om 4 MW warmte van de ketel af te leiden naar een hoge temperatuur warmtepomp. Zo levert de warmtepomp ongeveer 10% van de totale warmtevraag (±40 MW).

CONTACT

spirit-heat.eu/demo_sites/sugar-production/

tom.bressinck@gea.com

Principeschema van add-on warmtepomp (open systeem) op bestaande NH₃ koelinstallatie (ref. Vasile Minea).

Add-on warmtepomp op NH₃ koelinstallatie voor boterproductie

In het proces voor boterproductie wordt koude gebruikt op -25°C, de betreffende tweetraps NH₃-koelinstallatie (zuigercompressor) draait volcontinu en vormt een significante opportuniteit voor de verduurzaming van de warmtevraag van de beschouwde afdeling. Met een add-on warmtepomp kan de restwarmte/condensorwarmte van dit koelsysteem opgewaardeerd worden voor de aanmaak van warm water.

CONTACT

https://www.swecobelgium.be/onze-diensten/energie/energie-in-de-industrie/

Jonathan.orbie@swecobelgium.be

Energie-intensieve industrie (cement, staal)

De Vlaamse cement- en staalindustrie staan voor de uitdaging om hun productieprocessen te verduurzamen en de uitstoot van broeikasgassen te reduceren. Hoewel de inzet van warmtepompen in deze sectoren traditioneel minder evident was, wordt de technologie steeds meer gezien als een mogelijke oplossing om energie-efficiëntie te verhogen. Dit vooral in combinatie met andere technologieën en processen.

De cement- en staalindustrie hebben, in tegenstelling tot de voedingssector, te maken met processen die hoge temperaturen vereisen. In de cementindustrie liggen de temperatuurvereisten tijdens het calcineringsproces vaak boven de 1450°C, terwijl in de staalindustrie temperaturen van 1300°C tot 1600°C nodig zijn voor het smelten van ijzererts en de verdere verwerking van staal.

Warmtepompen zijn in hun huidige vorm niet geschikt om dergelijke extreme temperaturen te leveren, aangezien ze typisch werken in een temperatuurbereik tot maximaal 150°C. Toch biedt de technologie interessante mogelijkheden wanneer het gaat om lage- en middentemperatuurprocessen binnen de energie-intensieve industrie, zoals: droogprocesssen bij lagere temperaturen (50 tot 200°C), ruimteverwarming of warm water voor technische processen.

DryFiciency Heat Pump op de Wienerberger baksteenproductiesite in Uttendorf, Oostenrijk.

Dampcompressie warmtepomp voor het drogen van bakstenen tot 160°C

Binnen het Europees project DryFiciency werd een warmtepomp ontwikkeld om proceswarmte te voorzien tot 160°C. Deze warmtepomp werd geïntegreerd op de productiesite van Wienerberger AG in Uttendorf, Oostenrijk, waar het warmte voorziet voor het droogproces tijdens de productie van bakstenen. Warme lucht is nodig om het vochtgehalte van de bakstenen van 28% naar ongeveer 2% te laten dalen.

CONTACT

stefan.puskas@wienerberger.com veronika.wilk@ait.ac.at

Warmtepomp voor baksteendrogers, net weer iets anders

Om de benodigde hoeveelheid gas verder te gaan reduceren is gekozen een warmtepomp te installeren. De warmtepomp warmt het water verder op tot 90°C. Hierdoor heeft men een vermindering van 125m³/h gas. Dit alles met een compacte unit met minder dan 40 kg aan koudemiddelinhoud en een COP van meer dan 4.

CONTACT

www.sabroe.com

sabroe.products.benelux@jci.com

Foto van de koelwaterleiding tijdens de meetcampagne, uitgevoerd ter bepaling van het restwarmtepotentieel.

Warmterecuperatie uit elektrogalvanisatielijn

Het elektrolyt kan tijdens het proces opwarmen naar temperaturen rond 40-60°C en dient continu gekoeld te worden om op de wenswaarde te blijven. In plaats van het hele koelsysteem aan te passen en als gevolg ook verschillende warmtewisselaars die ingrijpen op het bestaande proces, is er gekozen om de warmte rechtstreeks te capteren uit verschillende warme elektrolytstromen die reeds circuleren tussen verschillende processtappen. Zo kunnen de hoge temperaturen worden gecapteerd via een tussencircuit, in plaats van deze te capteren uit het koudere 25-30°C koelwaternet (en dus met minimale aanpassingen). Op deze manier kan een COP gehaald worden van meer dan 7 bij voeding van een 75 à 80°C net voor ontvettingsbaden en verdampers.

CONTACT

tom.franssens@swecobelgium.be

gunter.noens@arcelormittal.com

Toekomstperspectief

Bovenstaande voorbeelden en studies bevestigen ons dat industriële warmtepompen hun bestaansrecht bewezen hebben. Over de verschillende sectoren heen bieden ze een meerwaarde dat leidt tot hogere energie efficiëntie en een duurzamer gebruik van energie. Daarnaast is het duidelijk dat er nog uitdagingen zijn. Voor lage-temperatuur warmtepompen tot 100°C zijn duidelijk meer referenties. In de voedingssector zien we dit temperatuurbereik vooral ingevuld door warmtepompen op ammoniak. Wat hier eveneens aan bijdraagt is het vertrouwen en de kennis van ammoniak koelinstallaties in België. Voor installaties op hogere temperatuur zijn er alternatieve koudemiddelen die nog niet altijd zo vertrouwd zijn. Dit kunnen eveneens natuurlijke koudemiddelen zijn, waarbij vooral koolwaterstoffen (bv. n-pentaan) of water voor de hand liggende mogelijkheden zijn. Vandaag zien we de eerste demonstraties van dergelijke hoge-temperatuur warmtepompen. Zij zijn de voorbode van een exponentiële groei van de industriële warmtepompsector wanneer er werk wordt gemaakt van de energietransitie.