Industrial Heat Pumps

 

Onderzoek warmtepomp voor lage druk stoom afgerond

Warmtepompen bieden de mogelijkheid om lage temperatuur restwarmte op een hogere temperatuur te gebruiken. Warmtepompen worden momenteel ingezet op temperaturen tot maximaal 90 °C. In het kader van de MIT-regeling binnen de topsector Energie heeft De Kleijn een haalbaarheidsstudie uitgevoerd naar de toepassing van een warmtepomp op hoge temperaturen tot 140 °C, zodat lage druk stoom kan worden opgewekt.

In de industrie is veel restwarmte beschikbaar. Vaak is deze van een te lage temperatuur om direct in te zetten. De warmtepomp biedt hierin een oplossing. Tot temperaturen van 90°C zijn er warmtepompen op de markt beschikbaar. Voor hogere temperaturen zijn momenteel nog geen goede oplossingen. Om de haalbaarheid van een hoog temperatuur warmtepomp vast te stellen, heeft De Kleijn de technische mogelijkheden en knelpunten in kaart gebracht en een aantal concrete cases doorgerekend.

Keuze werkmiddel

Het werkmiddel heeft een grote invloed op het inzetgebied en de efficiëntie van de warmtepomp. Gangbare werkmiddelen voor warmtepompen zoals Ammoniak en R134A zijn niet toepasbaar bij temperaturen boven 90 °C, omdat de drukken hierbij sterk toenemen. Er is daarom gekeken naar andere minder gangbare werkmiddelen, waaronder water, R245fa, iso-butaan en n-butaan.
Werkmiddelen voor warmtepompen
Water heeft als voordeel dat het goedkoop is en de drukken bij hoge temperaturen zeer beperkt zijn. Een groot nadeel is echter de zeer lage dichtheid van water in gasvorm waardoor grote compressoren nodig zijn om het water te comprimeren. Tevens zal water onder vacuüm verdampt moeten worden bij restwarmtebronnen onder 100 °C. Het synthetische werkmiddel R245fa heeft veel gunstigere eigenschappen en kan worden toegepast bij temperaturen tot 150 °C. R245a heeft echter een GWP (global warming potential) van 1.030. Door steeds strengere wet- en regelgeving rondom de GWP van werkmiddelen is R245fa niet toekomstbestendig. Tevens is R245a een duur werkmiddel. Iso-butaan en butaan zijn natuurlijke werkmiddelen en zijn daardoor wel toekomstbestendig. Iso-butaan kan worden ingezet tot circa 130 °C en n-butaan kan worden ingezet tot circa 150 °C. Aandachtspunt bij de toepassing van butaan zijn de benodigde veiligheidsmaatregelen in verband met het brand- en explosiegevaar. Na het afwegen van de diverse voor- en nadelen blijkt n-butaan (R600) het meest geschikt te zijn voor de toepassing in een hoog temperatuur warmtepomp, waarmee restwarmte kan worden opgewaardeerd tot 140 °C (3,6 bara) stoom. Meer informatie over werkmiddelen bij warmtepompen is hier te vinden.

Opzet installatie

Na de keuze voor het werkmiddel n-butaan is onderzocht hoe de installatie op een efficiënte manier kan worden opgezet. Een conventionele systeemopzet met verdamper, compressor, expansieorgaan en condensor bleek een zeer lage COP te hebben. Aanzienlijke rendementswinst is bij butaan warmtepompen te behalen door het inzetten van een vloeistofonderkoeler en een interkoeler.
Butaan warmtepomp
De onderzoeksresultaten met betrekking tot de opzet van de installatie zijn gepubliceerd op deze pagina.

Casestudie

Om te bepalen of een warmtepomp voor stoomopwekking marktkansen heeft, is de haalbaarheid voor drie praktijkcases verder uitgewerkt:

  1. Indirecte drogers, zoals wals of peddeldroger. Hierbij wordt de restwarmte uit de vochtige afzuiglucht opgewaardeerd tot lage druk stoom, waarmee de droger kan worden verwarmd.
  2. Ontgassers voor een stoominstallatie. Hierbij wordt de restwarmte uit de rookgassen van de stoomketel opgewaardeerd tot lage druk stoom, waarmee de ontgasser kan worden gevoed.
  3. Opwaarderen van warmte uit warmtenetten. Hierbij wordt de warmte uit een warmtenet opgewaardeerd tot lage druk stoom, om de verbruikers van het warmtenet naast verwarming ook stoom te kunnen leveren. Naast industriële bedrijven is dit ook interessant voor ziekenhuizen, die stoom gebruiken voor sterilisatie en luchtbevochtiging.

Economische haalbaarheid
De economische haalbaarheid van deze cases hangt vanzelfsprekend sterk af van de energieprijzen. Daarnaast zijn op basis van deze casestudies een aantal belangrijke voorwaarden gedefinieerd waaraan de toepassing moet voldoen om een warmtepomp voor stoomopwekking rendabel in te kunnen zetten. Deze voorwaarden zijn:

Indirecte droogprocessen voldoen vaak aan deze voorwaarden en vormen een goede toepassing voor de warmtepomp voor stoomopwekking.

Technische haalbaarheid
Het voornaamste technische knelpunt is het verkrijgen van een geschikte compressor voor de hoog temperatuur warmtepomp. Er zijn momenteel geen compressoren beschikbaar die zijn vrijgegeven voor de werking met butaan op de gewenste temperaturen. Hiervoor dient in samenwerking met een compressorleverancier een ontwikkeltraject te worden opgezet, waarbij een bestaande compressor wordt aangepast, getest en geoptimaliseerd.

Resultaat haalbaarheidsstudie

Uit de haalbaarheidsstudie blijkt dat de realisatie van een warmtepomp voor het opwekken van restwarmte tot lage druk stoom mogelijk is, mits enkele technische knelpunten kunnen worden opgelost. Hiervoor is het noodzakelijk om een pilot project op te zetten. Het meeste potentieel heeft de toepassing van warmtepomp voor stoomopwekking in combinatie met indirecte drogers. De Kleijn gaat de mogelijkheden voor het opzetten van een pilotproject verder onderzoeken. Geïnteresseerden kunnen hiervoor contact met De Kleijn opnemen.

Meer nieuwsberichten