Thermo Acoustic Power (TAP) van industriële restwarmte naar elektriciteit. SBIR fase 1 haalbaarheidsstudie

Thermo Acoustic Power (TAP) van industriële restwarmte naar elektriciteit

SBIR fase 1 haalbaarheidsstudie

Haalbaarheidsstudie TAP SBIR opdracht, fase 1

Opdrachtgever

Ministerie van Economische Zaken Programma SBIR Bureau SenterNovem

Contactpersoon opdrachtgever

ir. Esther Keijser

Datum rapport

30 juni 2009

Status rapport

Definitief

Samenstellers rapport

C.M. de Blok, Aster Thermoakoestische Systemen R.H. Huisman, Huisman Elektrotechniek bv Ing. J.J. Verheul, Innoforte drs.ing. W.P.C. Mans, Innoforte

Contactgegevens

Aster Thermoakoestische Systemen Smeestraat 11 8194 LG VEESSEN T 0578-631103 www.aster-thermoacoustics.com [email protected]

Haalbaarheidsstudie TAP

[1]

Inhoudsopgave 0

SAMENVATTING ...................................................................................................................................... 4

1

INLEIDING ................................................................................................................................................ 5 1.1 1.2

2

PRINCIPE KEUZE UITVOERING TAP ........................................................................................................... 8 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9

3

DE WERKING VAN DE TAP ............................................................................................................................ 8 BELANGRIJKE ONDERDELEN IN DE TAP ............................................................................................................ 9 PERSPECTIEFRIJKE TOEPASSINGEN VAN DE TAP ............................................................................................... 10 ONDERZOCHTE INDUSTRIËLE TOEPASSING ...................................................................................................... 13 VAN ÉÉN NAAR VIER-TRAPS THERMOAKOESTISCHE MOTOR ................................................................................ 14 ONTWERP DIRECTE TAP ............................................................................................................................ 16 DIRECTE TAP........................................................................................................................................... 17 DIRECTE TAP MET VERLAAGDE WERKDRUK .................................................................................................... 18 INDIRECTE TAP ........................................................................................................................................ 19

ONTWERP INDIRECTE TAP ..................................................................................................................... 20 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6

4

DOELSTELLING ........................................................................................................................................... 5 AANPAK.................................................................................................................................................... 6

MOGELIJKE SYSTEEMPRESTATIES ................................................................................................................. 20 AFMETINGEN VAN DE 1 MW INDIRECTE TAP ................................................................................................ 22 WARMTEWISSELAARS ................................................................................................................................ 23 OMZETTEN VAN AKOESTISCHE ENERGIE NAAR ELEKTRISCHE ENERGIE ................................................................... 23 KOELEN VAN DE TAP................................................................................................................................. 26 FABRIKANTEN EN LEVERANCIERS .................................................................................................................. 26

INPASSING TAP IN DE PAPIERINDUSTRIE: 4 VOORBEELDEN ................................................................... 30 4.1 HET DROOGPROCES BIJ PAPIERFABRIEK A....................................................................................................... 30 4.1.1 Het drogen van papier ..................................................................................................................... 30 4.1.2 Inpassing van de TAP in het droogproces ........................................................................................ 31 4.2 DE OPWEKKING VAN ELEKTRICITEIT EN STOOM BIJ PAPIERFABRIEK B .................................................................... 33 4.2.1 Huidig principe elektriciteit- en stoomproductie ............................................................................. 33 4.2.2 Inpassing TAP .................................................................................................................................. 34 4.3 PAPIERFABRIEK C VOORGESCHAKELDE TAP .................................................................................................... 34 4.3.1 Huidige principe van elektriciteit- en stoomproductie .................................................................... 34 4.3.2 Inpassing TAP .................................................................................................................................. 35 4.4 PAPIERFABRIEK C NAGESCHAKELDE TAP........................................................................................................ 36 4.4.1 Huidige principe van elektriciteit- en stoomproductie .................................................................... 36 4.4.2 Inpassing TAP .................................................................................................................................. 36 4.5 ELEKTRICITEIT- EN STOOMPRODUCTIE BIJ PAPIERFABRIEK D ............................................................................... 37 4.5.1 Huidige principe van elektriciteit- en stoomproductie. ................................................................... 37 4.5.2 Inpassing TAP .................................................................................................................................. 39

5

ECONOMISCHE HAALBAARHEID............................................................................................................. 40 5.1 UITGANGSPUNTEN .................................................................................................................................... 40 5.2 CONCURRERENDE ENERGIECONVERSIETECHNIEKEN .......................................................................................... 40 5.3 INVESTERING TAP .................................................................................................................................... 43 5.4 BEDRIJFSECONOMISCHE RENTABILITEIT TAP ................................................................................................... 44 5.4.1 Bedrijfseconomie papierfabriek A ................................................................................................... 44 5.4.2 Bedrijfseconomie papierfabriek B ................................................................................................... 45


[2]

5.4.3 Bedrijfseconomie papierfabriek C voorgeschakelde TAP ................................................................ 46 5.4.4 Bedrijfsconomie papierfabriek C nageschakelde TAP ..................................................................... 47 5.4.5 Bedrijfseconomie papierfabriek D ................................................................................................... 48 5.5 BEDRIJFSECONOMISCHE ANALYSE ................................................................................................................. 49 5.6 DEMONSTRATIE BIJ PAPIERFABRIEK SMURFIT KAPPA ........................................................................................ 50 5.7 MARKTPOTENTIE ....................................................................................................................................... 50 6

MARKTINTRODUCTIE ............................................................................................................................. 52 Bijlage A gemaakte ontwerpkeuzes bij 1MW indirecte TAP ...................................................................................... 53 Bijlage B De gas-gas warmtewisselaar (directe TAP) ................................................................................................. 65 Bijlage C Papierfabriek A ............................................................................................................................................ 67 Bijlage D Papierfabriek B ............................................................................................................................................ 69 Bijlage E Papierfabriek C voorgeschakelde TAP ......................................................................................................... 70 Bijlage F Papierfabriek C nageschakelde TAP ............................................................................................................. 72 Bijlage G Papierfabriek D ........................................................................................................................................... 74


[3]

0

Samenvatting

Dit is het verslag van de haalbaarheidsstudie naar de technisch economische mogelijkheden om industriële restwarmte om te zetten in elektriciteit via de zogenaamde TAP. De gebruikte technologie is het thermoakoestische principe. De eenvoudige constructie van de TAP vormt een groot voordeel boven bestaande conversietechnieken van warmte naar elektriciteit. Een relatief lage investering en lage onderhoudskosten zijn hierdoor mogelijk. Samen met diverse industriële partners en met potentiële afnemers van de TAP in de Nederlandse papierindustrie hebben we een TAP ontwikkeld welke kan worden ingebouwd in rookgaskanalen. De temperatuur van deze rookgassen dient minimaal 150°C te zijn zodat het energetische rendement ongeveer 10% bedraagt. Dit rapport beschrijft de mogelijke uitvoeringsvormen van de TAP welke tijdens de ontwikkeling zijn overwogen. Uiteindelijk is gekozen voor de zogenaamde indirecte TAP met een tussenmedium. Deze uitvoering koppelt een goed rendement aan een compacte behuizing en daardoo lage investeringen. De inpassing van deze TAP is technisch en economisch onderzocht voor vier Nederlandse papierfabrieken. Een terugverdientijd van kleiner dan 5 jaar behoort tot de mogelijkheden. Ook is de TAP vergeleken met zijn belangrijkste concurrent: het ORC proces. Deze laatste blijkt ongeveer twee keer zo duur te zijn in de aanschaf en zal ongetwijfeld hogere onderhoudskosten kennen vanwege de roterende delen (compressor en turbine). In overleg met het KennisCentrum Papier en Karton is uit de papierfabrieken die allen interesse tonen in een demonstratieproject een kandidaat geselecteerd. Hieronder enkele reacties vanuit de papierindustrie: Henk Hoven (Director Operations Smurfit Kappa Solid Board): “Wij streven continu naar verhoging van de kwaliteit en verlaging van de kosten. Duurzaamheid is onlosmakelijk met dit streven verbonden. De mogelijkheid om met de TAP uit voor ons nutteloze restwarmte een waardevolle energievorm als elektriciteit te maken geniet onze warme belangstelling. Gezien de getoonde berekeningen denken wij dat er een grote markt kan ontstaan voor de TAP. Wij zijn dan ook verheugd dat wij kandidaat mogen zijn om de werking van de TAP in onze praktijk te mogen ervaren.” Dr.ir. Annita Westenbroek, coördinator van het programma „Energie Neutraal Papier‟, KennisCentrum Papier & Karton: “Wij willen het initiatief om restwarmte om te zetten in elektriciteit van harte ondersteunen. Innoforte heeft in samenwerking met een aantal papierfabrieken zodanig voorwerk verricht dat wij enthousiast zijn over de mogelijkheden van de TAP in de Nederlandse papierindustrie. Een demonstratieproject zullen wij nauwlettend volgen en daarbij tevens de vergaring en verspreiding van kennis en resultaten faciliteren.”

Tenslotte hebben wij de potentiële markt voor de TAP in kaart gebracht. In samenwerking met partners voor productie en verkoop bereiden Aster, Huisman en Innoforte momenteel een businessplan voor welke wij eind juli kunnen presenteren.


[4]

1

Inleiding

Dit rapport beschrijft de haalbaarheidsstudie naar de technisch-economische mogelijkheden voor de TAP, de Thermo Akoestische Power generator. De studie is uitgevoerd in het kader van het SBIR programma van het ministerie van Economische Zaken en SenterNovem. Met zogenaamde thermoakoestische energieconversies is het mogelijk om thermische energie om te zetten in akoestische energie (golfenergie). Deze golfenergie (mechanische energie) kan vervolgens weer in een thermische energie van een andere temperatuur worden omgezet (warmtepompbedrijf), danwel worden omgezet in elektriciteit. Sinds de jaren ‟70 wordt in Nederland en in de VS onderzoek verricht naar de thermoakoestische conversie. In Nederland ligt daarbij de focus op de zogenaamde lopende golf technologie. In samenwerking met diverse marktpartijen voor onderzoek en commercialisering is het kleinschalige onderzoeksbedrijf Aster sinds 1986 parttime en sinds het jaar 2000 fulltime bezig met het verbeteren van de technologie. Hierbij worden door diverse partijen steeds belangrijke resultaten geboekt. Het doel is daarbij steeds gericht geweest op het ontwikkelen van een werkend apparaat voor een markt. Bij het uitvoeren van een marktscan naar de economische potentie naar de toepassing van thermoakoestiek ten behoeve van de benutting van industriële restwarmte in 20081, is gebleken dat het omzetten van industriële restwarmte in elektriciteit één van de twee meestbelovende toepassingen is. Deze toepassing is TAP genoemd, naar Thermo Acoustic Powergeneration. De andere perspectiefvolle toepassing is de warmtetransformator waarmee industriële restwarmte wordt omgezet in bruikbare warmte van een hogere temperatuur. Gezien de grote potentiële hoeveelheden industriële restwarmte en het streven naar verlaging van de CO2 emissies en verlaging van de kosten, is er in potentie een grote afzetmarkt voor de TAP. Uiteraard binnen de bekende randvoorwaarden van economisch haalbaar en technisch betrouwbaar. 1.1

Doelstelling

De doelstelling van deze haalbaarheidsstudie is het verkrijgen van een technische ontwerp en een goed inzicht in de te bereiken energetische rendementen, de inpassingmogelijkheden bij de industrie, de kostprijs, de mogelijke samenwerkingspartners en de marktpotentie van de TAP. Tevens is het de bedoeling om eerdere aannamen op het gebied van enkele belangrijke

1

TASOR (Thermo-Akoestische Systemen voor het Opwaarderen van industriële Restwarmte). Onderzoek in kader van EOS LT programma met ECN en TU Eindhoven


[5]

componenten in samenwerking met fabrikanten te verifiëren. Voorts dient de haalbaarheidsstudie, bij gebleken perspectief, geïnteresseerde marktpartijen op te leveren waar een demonstratie eenheid kan worden geplaatst. De voor de aanvang van de studie gedefinieerde vragen worden in deze rapportage beantwoord. Deze vragen luidden als volgt: - Hoe gaat de TAP configuratie er uit zien: schematisch ontwerp, benoeming componenten inclusief grootte, te gebruiken materialen, etc. - Hoe groot zijn de investeringen in een prototype en wat is de uiteindelijk te verwachten kostprijs? - Kunnen we de beoogde rendement behalen? - Bij welke industrieën/sectoren is hoeveel interesse en hoe groot is naar verwachting de marktpotentie? - Hoe is de TAP fysiek in te passen bij de klantsituatie? Wat is een optimale schaalgrootte? - Is 200 kWe een haalbare schaalgrootte is om mee te starten? 1.2

Aanpak

De aanpak borduurt voort op de bestaande samenwerking met de strategische partner voor de commercialisatie: Huisman Elektrotechniek bv en het adviesbureau voor duurzame warmte en koude: Innoforte. De hoofdverantwoordelijkheid van deze overheidsopdracht en de rechten van de kennis liggen bij Aster Thermoakoestische Systemen. Bij de uitvoering van dit project is sprake geweest van een interactieve ontwikkeling van de TAP: steeds is contact geweest met zowel potentiële afnemers als met potentiële partners voor de ontwikkeling, productie en verkoop van de TAP. De opbouw van dit rapport is dan ook chronologische afspiegeling van het ontwikkelproces. De opbouw van dit rapport is als volgt. In hoofdstuk 2 wordt de werking van de TAP beschreven. Zijn belangrijkste componenten en de gemaakte keuzes bij de vertaling van het principe naar een praktisch ontwerp komen daarbij aan de orde. Deze vertaling heeft plaatsgevonden aan de hand van een vijftal concrete mogelijke toepassingen in de Nederlandse papierindustrie. Zo veel mogelijk is bij de ontwikkeling van het ontwerp overigens uitgegaan van een TAP voor een markt, niet voor een individuele situatie. De achtergrond hiervan is gelegen in de doelstelling om een TAP te ontwikkelen en daarna te commercialiseren die zo veel mogelijk generiek inzetbaar is. De ontwikkelen productiekosten worden zo geminimaliseerd en de marktpotentie gemaximaliseerd. In hoofdstuk 2 staan de aanvankelijke pogingen beschreven om een directe TAP te ontwikkelen, dat wil zeggen zonder tussenmedium. Uit economische overwegingen zijn wij echter toch uitgekomen op een indirecte TAP met water/stoom als tussenmedium. Systeemberekeningen tonen aan dat tegen het temperatuurnadeel (extra ΔT met als gevolg een lager conversierendement)


[6]

grotere voordelen staan, waardoor uiteindelijk met overtuiging is gekozen voor een indirecte TAP. In hoofdstuk 3 is de verdere ontwikkeling van de indirecte TAP beschreven. Dit proces heeft plaatsgevonden in overleg met diverse fabrikanten en leveranciers in binnen- en buitenland. In hoofdstuk 3 worden de in hoofdstuk 2 geïntroduceerde voorbeelden uit de Nederlandse papierindustrie energetisch en uitgewerkt. In hoofdstuk 4 wordt de economische haalbaarheid behandeld. De TAP produceert elektriciteit uit restwarmte. De kosten zijn vooral gelegen in de investering (kapitaallasten) en het eigen elektriciteitsverbruik. Daar elektriciteit een marktwaarde heeft en de investeringen in zijn geraamd is de rentabiliteit van de TAP te berekenen. Gezien de technische mogelijkheden van concurrerende technieken als ORC (Organic Rankine Cycle), Kalina (ORC met mengsel als werkzaam medium en daardoor hoger thermodynamisch rendement) en Stirling (heteluchtmotor) is het zinvol om de kostprijs van de TAP te vergelijken met deze technieken. De contacten met de Nederlandse papierindustrie hebben een viertal geïnteresseerde papierfabrieken opgeleverd. In overleg met het Kennis Centrum Papier en Karton heeft Innoforte de meest interessante fabriek geselecteerd voor een demonstratie voor fase 2 van het SBIR project. In contact met andere industriële branches in de marktpotentie begroot voor de TAP in Nederland. De conclusie uit dit hoofdstuk is veelbelovend: de TAP biedt de goedkoopste en de betrouwbaarste conversie van restwarmte naar elektriciteit. In hoofdstuk 5 is het traject naar (internationale) marktintroductie kort beschreven. Aster is een klein (ontwikkel-)bedrijf. De engineering, productie, verkoop en service van de TAP zijn essentieel voor het succes. Aster, Huisman en Innoforte werken momenteel aan een businessplan welke in juli 2009 zal worden gepresenteerd. In dit hoofdstuk staan alvast de belangrijkste ideeën en potentiële partners genoemd.


[7]

2

Principe keuze uitvoering TAP

2.1

De werking van de TAP

De TAP maakt gebruik van twee conversiestappen voor het opwekken van elektriciteit uit restwarmte. Als eerste wordt in een thermodynamisch kringloopproces, de thermoakoestische energie converter (TAEC)2, warmte omgezet in akoestische (= mechanische) energie. Vervolgens wordt deze akoestische energie door een lineaire generator of alternator omgezet in elektriciteit. De voorgestelde TAP voor het omzetten van restwarmte in elektriciteit ziet er schematisch uit als weergegeven in figuur 2.1.

TAEC

Figuur 2.1 Schematische voorstelling van het principe

Het systeem bestaat uit twee thermoakoestische energieconverters opgenomen in een akoestische ringresonator. De werkfrequentie van het geheel wordt bepaald door de totale lengte van deze resonator. Deze lengte is gelijk aan de akoestische golflengte in het werkgas. De TAEC is opgebouwd uit een regenerator ingeklemd tussen twee warmtewisselaars voor respectievelijk warmtetoevoer bij hoge temperatuur en warmteafvoer bij lage temperatuur. Het temperatuurverschil over de regenerator resulteert3 in akoestische vermogensversterking. Boven de zogenaamde starttemperatuur ontstaat hierdoor in ringresonator een lopende akoestische golf (oscillatie).

2

Als sprake in van de conversie van warmte naar akoestische energie wordt ook vaak de term “thermoakoestische motor” of TA-motor gebruikt. 3 Als gevolg van het thermoakoestisch energieconversie proces (Stirling cyclus).


[8]

Een deel van het akoestisch vermogen in deze golf wordt uitgekoppeld en toegevoerd aan een lineaire generator en vervolgens omgezet in elektriciteit. Een nadere uitleg en een animatie van het principe is te vinden op www.aster-thermoacoustics.com. 2.2

Belangrijke onderdelen in de TAP

De resonator van een thermoakoestisch systeem is gevuld met een (edel) gas als werkmedium. Afhankelijk van de toepassing kan hiervoor lucht, argon of helium worden gebruikt. Voor de TAP is gekozen voor helium (zie bijlage A: gemaakte ontwerpkeuzes). Details van de TAEC zijn gegeven in figuur 2.2.

Figuur 2.2 Onderdelen van de TAEC.

De regenerator in elke TAEC bestaat uit een aantal lagen RVS gaas. De structuur (draaddikte, mesh) van dit gaas is afgestemd op het soort werkgas en de gemiddelde druk. Meest kritisch zijn de warmtewisselaars waarmee het thermoakoestisch deel met de “buitenwereld” wordt gekoppeld. Aan deze warmtewisselaars worden een aantal specifieke eisen gesteld:  bestand tegen het drukverschil tussen akoestisch (10 bar helium) en procesdeel (veelal 1 bar lucht of rookgassen);  in geval van een gas-gas warmtewisselaar minimale drukval (< 300 Pa) om het industrieel proces minimaal te beïnvloeden;  aan akoestische zijde een fijne structuur om snel warmte met het werkgas uit te wisselen;  minimale dikte (in akoestische richting) om dissipatie te beperken;  maximale warmteoverdracht.


[9]

In de TAP is de temperatuurval over deze warmtewisselaars een dominante factor en direct van invloed op de systeemprestaties. Als ontwerpeis geldt dan ook dat de totale temperatuurval per warmtewisselaar niet groter mag zijn dan 10 K. De functie van de lineaire generator is het omzetten van het akoestisch vermogen in elektriciteit. Hierbij wordt de drukamplitude van de akoestische golf in de (ring)resonator door middel van een membraan omgezet in een lineair verlopende kracht waarmee een spoel in een magneetveld wordt bewogen. Dit is in principe een omgekeerde elektrodynamische luidspreker waarbij door het bewegen van de conus in de spreekspoel een spanning wordt opgewekt. Het uitgangsvermogen en conversie rendement is vergelijkbaar met gewone (roterende) generatoren of elektromotoren, afhankelijk van de afmetingen en uitvoering oplopend van enkele mW tot tientallen kW bij een conversie rendement van 80-95 %. Om uitwendige trilling te voorkomen worden lineaire generatoren altijd paarsgewijs ingezet en in tegenfase aangedreven. De behuizing van de TAEC en de buis (akoestische golfgeleider) tussen in- en uitgang vormt het akoestisch terugkoppel- of resonantiecircuit. De werkfrequentie wordt hierbij bepaald door de totale akoestische lengte en de geluidsnelheid in het werkgas. Hoe langer de buis hoe lager de frequentie. Indien gekozen wordt voor een werkdruk van bijvoorbeeld 10 bar, staat de gehele behuizing onder deze druk zodat hiervoor de bestaande constructie en veiligheidseisen (PED) in acht moeten worden genomen. 2.3

Perspectiefrijke toepassingen van de TAP

De totale warmtebehoefte van de Nederlandse industrie bedraagt circa 530 PJ/jaar. Dit geheel komt, vermeerderd met de warmte uit exotherme chemische reacties, uiteindelijk allemaal weer in de omgeving terecht via koelwater en koeltorens en door schoorsteen- en andere warmteverliezen. Deze „geloosde‟ warmte noemen we industriële restwarmte. Alleen al binnen de Nederlandse chemische en raffinageindustrie wordt volgens ECN jaarlijks meer dan 100 PJ aan restwarmte met een vermogen > 0,5 MW per bron van boven de 50°C actief weggekoeld. Daarnaast is er een nog groter potentieel aan restwarmte aanwezig, met name in niet-actief gekoelde stromen (bijvoorbeeld rookgassen) en in andere sectoren. Onderstaande grafiek (ECN) toont de veronderstelde hoeveelheden restwarmte in de chemische en raffinage industrie als functie van de temperatuur waarop deze warmte beschikbaar komt. Er is ongeveer 10 PJ beschikbaar op een temperatuur vanaf 150°C. Indien deze warmte met een rendement van netto 10% in elektriciteit kan worden omgezet ontstaat 1 PJ elektriciteit ofwel 278 miljoen kWh. Dit is genoeg elektriciteit voor een flinke stad van 80.000 huishoudens (3.500 kWh per huishouden). De


[ 10 ]

bepalende factor hierbij zijn de benodigde investeringen. Juist op dit punt beoogt de TAP nieuwe normen te zetten ten opzichte van bijvoorbeeld het ORC proces.

Figuur 2.3 beschikbaarheid restwarmte chemische en raffinagesector (ECN)

Buiten de chemische en raffinage-industrie zijn er nog vele industriële sectoren waarbij restwarmte vrijkomt: - staalproductie; - voeding- en genotmiddelenindustrie (zuivel, groente verwerkers, aardappelverwerkers, voedingsmiddelenindustrie); - kunststofindustrie; - bouwmaterialen, glas en keramische industrie. Hoewel de TAP reeds elektriciteit kan leveren vanaf een temperatuurverschil tussen bron en put van 50°C, richten wij ons in eerste instantie op bronnen vanaf 150°C. Dit lijkt veel, maar onderzoek toont aan dat deze temperatuur toch in redelijke mate beschikbaar is. De kansen voor de TAP zijn hier het grootst (vanwege de Carnotfactor die de tweede hoofdwet van de thermodynamica op praktische wijze vertaalt). Na succesvolle introductie van de TAP kan doorontwikkeling plaatsvinden van systemen die op nog lagere temperaturen kan worden gevoed. Vanuit de industrie bezien is het voor de hand liggend om het restwarmteprobleem zo veel mogelijk binnenshuis op te lossen: benutting van de vrijkomende warmte ten behoeve van de eigen processen en op de eigen locatie. De mogelijkheden voor warmteterugwinning binnen de processen (pinchtechnologie: slimme warmteterugwinning en inzet warmtepompen) wordt in de Nederlandse industrie op steeds grotere schaal toegepast maar biedt onvoldoende soelaas voor de overblijvende restwarmte. Afhankelijk van het type productieproces, is onder een bepaalde temperatuur (de “pinch”) per saldo


[ 11 ]

warmte over. Hergebruik buiten de eigen processen komt daarbij in beeld. Levering van restwarmte aan derden is daarbij een interessante mogelijkheid. De mogelijkheden om industriële restwarmte aan derden te leveren zullen de komende jaren intensief worden onderzocht. Behoudens kansen zijn er zeker ook knelpunten te noemen ten aanzien van warmtelevering door de industrie:  het temperatuurniveau van de restwarmte is soms te laag voor de externe afnemer;  de investeringen om deze restwarmte beschikbaar te krijgen zijn te hoog (uitkoppeling);  de afnemer is te ver verwijderd van de bron of er zijn bijzondere “kunstwerken” nodig om de warmte te transporteren: investeringen, transportenergie en thermische verliezen;  de beschikbaarheid van de restwarmte is onvoldoende: onvoldoende zekerheid ten aanzien van beschikbaarheid op lange termijn (strategische horizon, geen mogelijkheid om langjarige contracten te sluiten); onvoldoende afstemming vraag en aanbod (bedrijfstijden, seizoen-, week en dagpatronen matchen niet waardoor de inzet van hulpketels nodig is); onvoldoende betrouwbaarheid van de levering (storingen, onderhoudsstops). De mogelijkheid om met de TAP restwarmte om te zetten in elektriciteit vormt een tussenliggende mogelijkheid. Nadat gebleken is dat zinvolle inzet in de processen geen soelaas biedt kan de restwarmte op eigen terrein en ten eigen bate worden omgezet in elektriciteit. Afhankelijk van de temperatuur van de warmtebehoefte van derden, kan zelfs na de TAP nog restwarmte aan derden worden geleverd (lage temperatuurverwarming van tuinbouwkassen of nieuwbouw woningen, zorginstellingen of zwembaden). Hoewel deze haalbaarheidsstudie primair is gericht op de benutting van industriële restwarmte, zijn er ook toepassingen van de TAP denkbaar in andere sectoren:  aardwarmteprojecten. IF Technology heeft interesse getoond in de TAP als alternatief voor een ORC of Kalina proces. Het potentiële voordeel van de TAP is dat, buiten de lagere investeringen, het mogelijk is om één apparaat flexibel in te zetten voor elektriciteitsproductie, warmte- of koudeproductie (thermo akoestische warmtepomp). Dit kan door de ontwikkelde akoestische energie al naar gelang de behoefte af te tappen door een lineaire generator dan wel door een thermoakoestische warmtepomp.  verbetering van het elektrische rendement van gasmotoren (WKK) in de glastuinbouw. Een TAP kan net als een ORC worden nageschakeld in de uitlaasgassenstroom van een gasmotor.


[ 12 ]

Na commercialisatie van de TAP voor industriële restwarmte bieden deze alternatieve toepassingen de mogelijkheid tot verdere product- en marktontwikkeling. 2.4

Onderzochte industriële toepassing

Vanwege de grote inspanningen van de Nederlandse papierindustrie hebben wij het Kennis Centrum Papier en karton (KCPK) benaderd om een eerste selectie te maken naar de mogelijke toepassingen. Uitgangspunt is de aanwezigheid van restwarmte van 150°C of hoger. Hoewel het grootste deel van de restwarmte beschikbaar komt op een lagere temperatuur, blijkt dat restwarmte van deze hoge temperatuur op vier mogelijke plaatsen voor te komen binnen de papierindustrie: - Restwarmte in de afgassen van de stoomketel, vooral indien een gasturbine is voorgeschakeld. Afhankelijk van de hoeveelheid en de temperatuur van het retourcondensaat is de temperatuur veelal hoger dan 150°C, ook bij de toepassing van een economizer; - De warmte van de uitlaatgassen van een gasturbine. Deze gasturbine is voorgeschakeld voor een afgassenketel ten behoeve van de stoomproductie. De temperatuur van de afgassen van de gasturbine is echter veel hoger (ca. 500°C) dan voor de stoomproductie nodig is (ruim 200°C). Hierdoor ontstaat de mogelijkheid om de TAP te laten werken tussen 500°C en 220°C, zodat beter gebruik wordt gemaakt van de kwaliteit van de beschikbare warmte (tweede hoofdwet van de thermodynamica); - Restwarmte van de af te voeren drooglucht. De papierproductie vindt plaats via natte processen. Het papier dient daarna te worden gedroogd. Dit drogen vindt voor een belangrijk deel thermisch plaats via drooginstallaties. Bij een groot aantal van deze drooginstallaties vindt de afvoer van de (al dan niet verzadigde) drooglucht plaats op een relatief hoge temperatuur van circa 150°C. Bij de zogenaamde “Yankee droger” is dit vaak het geval; - Restwarmte in de vorm van overtollige lage druk stoom. Gegeven een bepaalde configuratie kan het in de praktijk voorkomen dat er lage druk stoom gedurende een groot deel van het jaar overtollig is. Het is praktisch gezien niet mogelijk om deze stoom in een stoomturbine om te zetten in elektriciteit. Teneinde de technisch-economische mogelijkheden verder te onderzoeken en de concrete interesse te peilen hebben wij zes industriële bedrijven bezocht (vijf in de papierbranche en één in de chemie) en verder drie branche-organisaties (groenteverwerkers VIGEF, aardappelverwerkers VAVI en de zuivelindustrie NZO) en één kennisinstelling (KCPK). Hierbij gaven wij een korte presentatie van de TAP, waarna wij in discussie de mogelijke toepassing van de TAP analyseerden. Wij hebben waar relevant diverse schema‟s ontvangen en procesgegevens opgevraagd: media, temperaturen, bedrijfstijden, vervuilingsgraad, toepasbare materialen, beschikbare ruimte, etc.) alsmede de bedrijfseconomische randvoorwaarden in termen van acceptabele terugverdientijd. In hoofdstuk 3 is voor een viertal papierfabrieken de inpassing


[ 13 ]

van de TAP in hun restwarmtestromen technisch en energetisch uitgewerkt. Deze vier papierfabrieken zijn: - Van Houtum Papier te Swalmen; - Georgia Pacific te Cuyk; - Sappi te Maastricht; - Smurfit Kappa te Groningen. Daar mogelijk gevoelige procesgegevens in dit rapport zijn opgenomen wordt verder gesproken over papierfabriek A tot en met D zonder daarbij aan te geven om welke fabriek het gaat. Op basis van de beschikbare temperaturen en capaciteiten hebben we vastgesteld dat 1 MW TAP (thermisch aandrijfvermogen) voorlopig een goede schaalgrootte is. Hiermee is een netto elektriciteitsproductie van 100 kWe haalbaar. Zowel vergroting als verkleining van dit vermogen is mogelijk. 2.5

Van één naar vier-traps thermoakoestische motor

In deze paragraaf beschrijven wij de start van het ontwikkelingsproces. Als eerste stap hebben wij het TAP principe verwerkt tot een soort “4 cilinder motor”. Dit is gedaan om het systeem zelfstartend te maken en geschikt te maken voor lage brontemperaturen. Elk thermodynamisch kringproces werkt tussen twee temperaturen. Behalve de (aanvoer)temperatuur (Tin) van de restwarmte is daarom ook de temperatuur waarbij warmte van de TA motor kan worden afgevoerd (Tuit) bepalend. Het theoretisch maximale conversierendement wordt hierbij gegeven door de Carnotfactor

C 

Tin  Tuit Tin

Om een door de toepassing opgelegd temperatuurverschil zo goed mogelijk te kunnen benutten moet de aanvangstemperatuur (Ta) van de TA motor zo laag mogelijk zijn. Deze aanvangstemperatuur is de temperatuur waarbij het (klein signaal) uitgangsvermogen van de thermoakoestische motor gelijk aan de interne akoestische verliezen. Bij het toevoeren van warmte boven deze temperatuur neemt het uitgangsvermogen van de motor toe en wordt netto akoestisch uitgangsvermogen geleverd. De akoestische vermogensversterking (als gevolg van het thermodynamisch kring proces) in de regenerator unit is gelijk aan de verhouding van de absolute temperaturen. Om ook bij lage aandrijftemperaturen zoals bij restwarmte voldoende versterking te bereiken kunnen meerdere TAEC‟s in serie worden geplaatst. Dit verlaagt zowel de aanvangstemperatuur als het akoestische vermogen in de terugkoppeling (vliegwiel functie).


[ 14 ]

In de gebruikelijke configuraties (torus of bypass) in combinatie met een staande gelf resonator is het niet mogelijk in meer dan twee TAEC‟s of regeneratorunits de optimale impedantie en timing te realiseren. Een tweede beperking is de ongunstige verhouding tussen dissipatie en akoestisch vermogen in staande golfresonatoren. In 2008 is een begin gemaakt met het ontwikkelen van alternatieve akoestische terugkoppel en resonantiesystemen [3, Acoustics‟08, Parijs] waarin minder akoestisch verlies optreedt en waarmee in principe een onbeperkt aantal TAEC‟s in serie kan worden geschakeld. Dit is bereikt door een nieuwe strategie rond het aanpassen van de akoestische impedantie van alle afzonderlijke systeemdelen. Hierdoor vindt akoestische koppeling plaats door middel van nagenoeg lopende akoestische golven. Op basis van dit inzicht heeft Aster een kleinschalige testopstelling gebouwd van een viertraps TAEC, bestaande uit standaard aluminium warmtewisselaars en pvc- buizen. Metingen aan deze testopstelling bevestigen een aanzienlijke verlaging van de starten werktemperatuur. De akoestische configuratie van het TAP systeem en een implementatie detail van een kleinschalige opstelling is weergegeven in figuur 2.4.


[ 15 ]

Figuur 2.4 Akoestische configuratie en implementatievoorbeeld van een thermoakoestische motor in een kleinschalige opstelling.

Het conceptueel ontwerp van de TAP is gebaseerd op de hier aangegeven uitvoeringvorm van een viertraps thermoakoestische motor. 2.6

Ontwerp directe TAP

Bij de in de studie betrokken industriële partijen blijkt restwarmte veelal beschikbaar in de vorm van al dan niet verzadigd rookgas bij atmosferische druk. De globale afmetingen en uitvoeringvorm van de TAP zijn vastgesteld op basis van de bij de bedrijven gevonden proces parameters zoals weergegeven in tabel 2.1. Procesgedeelte Thermisch ingangsvermogen

1MW

rookgas aanvoertemperatuur

160C

rookgas afvoer

100C

drukval gas-gas warmtewisselaar

< 300Pa

proceswarmte afvoer via koelwater

30C

Thermoakoestisch gedeelte werkgas

heluim

gemiddelde druk

10 bar

drukamplitude

40-70 kPa

frequentie

50-100 Hz

akoestisch uitgangsvermogen

110 kW

elektrisch uitgangsvermogen

100 kW

Tabel2.1 Proces randvoorwaarden


[ 16 ]

2.7

Directe TAP

Om het aantal warmteovergangen te beperken is in eerste instantie gekeken naar een TAP uitgevoerd met een gas-gas warmtewisselaar waarmee direct warmte uit de rookgassen wordt overgedragen op het thermoakoestische proces. Een mogelijke uitvoeringsvorm van een dergelijke directe TAP is weergegeven in figuur 2.5.

Figuur 2.5 Directe TAP uitgevoerd met gas-gas warmtewisselaars

De TAP wordt stroomafwaarts aan het industrieel proces gekoppeld. Restwarmte uit de afvoerstroom wordt hierbij door middel van een gas-gas warmtewisselaar overgedragen op het thermoakoestisch proces in de TAEC‟s. Om het aantal overgangen in het rookgas pad te beperken is het geheel opgebouwd rond twee dubbele hoge temperatuur gas-gas warmtewisselaars (rood). De regenerator en lage temperatuur warmtewisselaars zijn aan weerszijde gemonteerd. Alle buisstukken hebben dezelfde akoestische lengte. De twee afgebeelde lineaire generatoren zijn door (een niet getekende) constructie zodanig gemonteerd dat uitwendige trillingen worden voorkomen. Kenmerk van deze configuratie is dat de rookgaszijdige afmetingen van de gasgas warmtewisselaar worden bepaald door de gewenste uitkoeling, het te onttrekken thermisch vermogen en de maximaal toelaatbare drukval. Door het gemeenschappelijk warmteuitwisselingsoppervlak ligt bij de gas-gas warmtewisselaar hiermee tegelijkertijd de afmetingen, zoals regeneratoroppervlak, van het thermoakoestisch deel vast.


[ 17 ]

Een beperkende factor hierbij is de akoestische lengte van de warmtewisselaar (de rookgaszijdige breedte). Zonder extra maatregelen4 mag deze lengte niet groter5 zijn dan 150 mm. Bij gelijkblijvend rookgaszijdig doorstroomd oppervlak (ligt vast in verband met de drukval) neemt hierdoor bij een gegeven doorstroomlengte de hoogte en daarmee het regeneratoroppervlak aan de akoestische zijde sterk toe. Het thermoakoestisch deel wordt hierdoor eigenlijk groter dan nodig ten opzichte van het rookgaszijdig onttrokken thermisch vermogen. Uit een eerste berekening [6] voor de 1 MW TAP blijkt dat de afmetingen van de gas-gaswarmtewisselaar en daarmee het volume van het thermoakoestisch deel dermate groot wordt dat bij de beoogde werkdruk in het thermoakoestisch deel (10 bar helium) ernstige constructieve problemen worden voorzien qua sterkte en afdichting [7]. Omdat het systeem aan de thermoakoestische zijde moet worden beschouwd als een drukvat valt het geheel onder de Pressure Equipment Directive (PED) en worden gezien de afmetingen (catagory 4) hoge certificeringkosten verwacht. Een ander praktisch punt is dat door de zware constructie, in verband met de druk, het gewicht van warmtewisselaars (1.200 kg per stuk) en (ring)resonator/behuizing erg groot wordt (  20.000 kg) waardoor het geheel niet eenvoudig in een bestaand rookgaskanaal is in te bouwen en kostbaar wordt. 2.8

Directe TAP met verlaagde werkdruk

Een mogelijke oplossing is de werkdruk in het thermoakoestisch gedeelte te verlagen van 1 Mpa (10 bar) tot 150 kPa (0,5 bar overdruk). Bij gelijkblijvend thermisch/akoestisch vermogen moet dan het oppervlak van de regenerator/warmtewisselaars aan akoestische zijde evenredig (10/1,5= 6,6) worden vergroot waardoor hoogte en breedte met een factor 2.6 toenemen. De doorsnede8 van het thermoakoestisch deel wordt daardoor vrij groot maar sluit dan qua afmetingen wel goed aan bij de vereiste rookgaszijdige afmetingen [1] van de gas-gas warmtewisselaars ( 3m x 4m x 0,15m). Uit simulatie blijkt dat ook bij deze lage werkdruk het beoogde conversierendement kan worden gehaald. Door het vergrote regenerator oppervlak zal het (statisch) warmteverlies hoger zijn. Door de geringe werkdruk kunnen zowel de gas-gas warmtewisselaars als de resonator/behuizing van het akoestisch deel zeer licht (aluminium) worden geconstrueerd. Er mogen in de

4 5 6 7

8

bijvoorbeeld introductie van (jet) streaming ongeveer 4-5 maal de gasuitwijking Bronswerk Heat Transfer B.V., Nijkerk. Overleg op 7 april Fainox, Horst. Overleg op 14 april 2209

De lengte van de ringresonator blijft gelijk


[ 18 ]

behuizing geen “platte” vlakken mogen voorkomen in verband met trillen. Ook kan de (ring)resonator deels in kunststof worden gebouwd. Op deze wijze kan een aanzienlijke gewichtsbesparing worden bereikt waardoor de kosten beperkt blijven en het geheel op locatie kan worden geassembleerd. Door de lage werkdruk (< 0,5 bar) is ongeacht de afmetingen geen PED certificering nodig. Een praktische beperking kan zijn dat het systeem als geheel in het rookgaskanaal moet worden ingepast wat gezien de vorm (o.a. rookgasgeleiders) en totale afmetingen (  6 x 4 x 6 m) problematisch kan zijn. Om deze reden hebben wij besloten ons onderzoek verder te richten op een indirecte TAP met een tussenmedium. 2.9

Indirecte TAP

Om een compacter systeem te kunnen bouwen is een tweede uitvoeringvorm onderzocht. Hierbij wordt gebruik gemaakt van water/stoom als tussenmedium voor de overdracht van warmte uit de afvoerstroom naar het thermoakoestisch proces. Een mogelijke uitvoeringvorm van een dergelijke indirecte TAP is weergegeven in figuur 2.6.

Figuur2.6 Indirecte TAP met water/stoom als tussenmedium

In deze uitvoeringsvorm wordt de door de rookgas warmtewisselaar uitgekoppelde restwarmte door middel van water/stoom toegevoerd aan het thermoakoestisch proces in de TAP. De extra rookgaswarmtewisselaar levert extra temperatuurval op maar dat wordt in deze uitvoering deels gecompenseerd Haalbaarheidsstudie TAP

[ 19 ]

door de geringere warmteverliezen (kleiner regenerator oppervlak) en het feit dat beide warmtewisselaars onafhankelijk van elkaar geoptimaliseerd kunnen worden. Een belangrijk praktisch voordeel van deze configuratie is dat thermoakoestisch deel van de TAP nu buiten het (bestaande) rookgaskanaal kan worden opgesteld waardoor inbouw en implementatie in een bestaande installatie eenvoudiger is en er gebruik kan worden gemaakt van een standaard rookgas warmtewisselaar. Bij toepassingen waarbij restwarmte beschikbaar is in de vorm van overtollig stoom/water kan deze stoom direct aan de warmtewisselaar van de TAP worden toegevoerd en is geen aparte rookgaswarmtewisselaar nodig. Deze mogelijkheid zijn wij in onze contacten met de industrie tegengekomen9. Omdat de indirecte TAP commercieel gezien het meest generiek inzetbaar is, is deze configuratie verder uitgewerkt en zijn in de simulatie de afmetingen, vermogensstromen en het rendement bepaald uitgaande van de in tabel 2.1 gegeven proceswaarden.

3

Ontwerp indirecte TAP

3.1

Mogelijke Systeemprestaties

Om inzicht te krijgen over het bruikbare werkgebied van de indirecte TAP zijn de systeemprestaties berekend als functie van de aandrijf (restwarmte) temperatuur bij een vaste warmteafvoer temperatuur van 30C. De drukamplitude is constant gehouden op 70 kPa door steeds de akoestische belasting (R_load) te verminderen. De details en randvoorwaarden voor de simulatie zijn gegeven in bijlage A.

9

Sappi Maastricht


[ 20 ]

Het resultaat van deze berekening is gegeven in figuur 3.1.

Figuur 3.1 TAP elektrisch uitgangsvermogen, thermisch en exergetisch rendement versus temperatuur van de beschikbare restwarmte.

De berekening voor de 1 MW TAP in figuur 3.1 laat zien dat boven een aanvoertemperatuur van 75C het elektrisch uitgangsvermogen evenredig is met de temperatuur van de beschikbare restwarmte. Het thermisch rendement is uiteraard afhankelijk van de werktemperatuur (vanwege de Carnot factor) en bereikt bij 160C een waarde van bijna 12%. Het exergetisch rendement10 ligt over het gehele werkgebied boven 50%. De geconstateerde afname van het exergetisch rendement boven 100C wordt veroorzaakt door de toenemende invloed van de statische warmtegeleiding door de regeneratoren en de behuizing11. Uit deze systeemberekeningen en de weergave hiervan in figuur 6 blijkt dat door het grote temperatuurbereik de TAP flexibel kan worden ingezet. De berekende waarde voor het exergetisch rendement ligt boven de verwachte waarde (40%). Deze marge laat een zekere tolerantie toe bij de praktische uitvoering.

10 11

thermisch rendement/Carnotfactor Deze waarde is uiteindelijk afhankelijk van de praktische uitvoering


[ 21 ]

3.2

Afmetingen van de 1 MW indirecte TAP

De globale afmetingen van een indirecte 1 MW TAP zijn gegeven in figuur 3.2.

Figuur 3.2 Globale afmetingen 1 MW indirecte TAP (maten in meters)

Uit de berekeningen blijken de afmetingen “compatible” met bestaande componenten zoals bijvoorbeeld de rookgaswarmtewisselaar (bijlage A). De aangegeven afmetingen gelden voor helium bij 10 bar als werkgas. Dit is een voorlopige keuze. Afhankelijk van de toepassing en bijvoorbeeld beschikbare


[ 22 ]

ruimte kan hiervan worden afgeweken zonder dat het systeemrendement nadelig wordt beïnvloed. De systeemafmetingen worden bepaald door de volgende schalingsregels. Het akoestische vermogen is evenredig met:  de gemiddelde druk;  het kwadraat van de drukamplitude;  het regenerator oppervlak;  het kwadraat van de buisdiameter. De frequentie wordt bepaald door de (akoestische) lengte van het systeem maar heeft geen directe invloed op het vermogen. Verder zijn de eigenschappen afhankelijk van de gassoort. Voorlopig is gekozen voor helium (zie bijlage A), maar voor deze specifiek lage temperatuur toepassing komen ook andere gassen in aanmerking. 3.3

Warmtewisselaars

Aandachtspunt bij het ontwerp van de warmtewisselaar is een lage rookgasweerstand en een kleine delta T tussen de rookgassen en het tussenmedium (water). Er zijn in Nederland diverse leveranciers voor het toepassen van zogenaamde gas-vloeistof warmtewisselaars voor gebruik in rookgaskanalen. Warmteoverdracht tussen medium (water) naar akoestisch medium (helium) Voor de overdracht van warmte naar het akoestisch medium (helium) is gekozen voor een standaard warmtewisselaar. Met deze wisselaar kan op compacte wijze de warmte op de juiste manier worden overgedragen. In Nederland worden veel gas-vloeistof warmtewisselaars toegepast, hiermee is veel ervaring en de kosten zijn relatief laag. 3.4

Omzetten van akoestische energie naar elektrische energie

Het omzetten van akoestische energie naar elektrische energie kan principieel langs twee wegen: via een lineaire generator (omgekeerde luidspreker) of via een roterende generator Lineaire generator Bij een lineaire generator wordt de drukamplitude van de akoestische golf in de (ring)resonator door middel van een membraan omgezet in een lineair verlopende beweging. Vervolgens wordt met deze beweging in een spoel een magneetveld opgewekt. Dit is in principe een omgekeerde elektrodynamische luidspreker waarbij door het bewegen van de conus in de spreekspoel een spanning wordt opgewekt.


[ 23 ]

Het uitgangsvermogen en conversie rendement is vergelijkbaar met gewone (roterende) generatoren of elektromotoren, afhankelijk van de afmetingen en uitvoering oplopend van enkele mW tot tientallen kW bij een conversie rendement van 80-95 %. Een lineaire generator kan zijn uitgevoerd met een bewegende spoel en vast opgestelde magneten of met bewegende magneten en een vaste spoel (anker). In beide gevallen kan dit anker door zijn massa niet zonder meer de akoestische golf frequentie volgen (20-100 Hz). Daarom wordt een (gas)veer toegevoegd. De stijfheid van deze veer wordt zodanig gekozen dat het geheel bij de akoestische frequentie in resonantie is. Door de periodieke beweging van het relatief zware anker ontstaat ook een periodieke reactie kracht op de behuizing. Om uitwendige trilling te voorkomen worden lineaire generatoren daarom gepaard ingezet en in tegenfase aangedreven. In de TAP wordt dit bereikt door per regenerator unit een lineaire generator toe te passen. Door de lopende golf in de ring resonator is op tegenover elkaar liggende posities de akoestische golf steeds in tegenfase. conventionele (roterende) generator De in figuur 2.4 voorgestelde symmetrische uitvoeringvorm met van de TAP biedt de mogelijkheid om op een alternatieve manier een deel van de thermisch opgewekte akoestsiche energie om te zetten in mechanisch of elektrisch uitgangsvermogen. Dankzij de lopende golf in het ringvormig akoestisch terugkoppelcircuit is de fase evenredig verdeeld over de totale akoestische lengte van het systeem. Hierdoor kan worden uitgekoppeld op bijvoorbeeld 0-120240 of op 0-90-180-270 zoals in de hier beschreven uitvoering met vier lineare generatoren. Door dezelfde membranen als gebruikt voor de lineaire generatoren onderling te koppelen op een mechanische wijze in plaats van elektrisch wordt een roterend krachtveld gecreëerd met dezelfde omloop of rotatiesnelheid als de akoestishe golf in de ringresonator. Dit is vergelijkbaar met de koppeling tussen het roterend anker en het magnetisch draaiveld in een synchrone elektromotor. Deze koppeling is schematisch weergegeven in figuur 3.3.


[ 24 ]

Figuur3.3 koppeling tussen lopende akoestische golf en roterend kracht veld

Dit roterend krachtveld kan door middel van een excentriek of kantelplaat op een as worden omgezet in een eenparig roterende beweging waarvan het toerental gelijk is aan de frequentie van de lopende akoestische golf. Bij een werkfrequentie van bijvoorbeeld 100 Hz is het equivalent toerental 6000 tpm. Een dergelijk toerental laat toe om met een conventionele dynamo of generator van bescheiden afmetingen een groot elektrisch vermogen op te wekken. In tegenstelling to de uitvoering met lineaire generatoren is het geheel niet zelfstartend. Voor semi-continue bedrijf is dit echter geen beperking. Een belangrijk voordeel van deze uitvoeringvorm is dat een conventionele generator kan worden gebruikt. Op deze manier van uitkoppelen is een Nederlands octrooi aangevraagd (NL1036630). Vanwege de nog benodigde doorontwikkeling van een roterende generator en de vruchtbare pogingen om een betaalbare geschikte lineaire generator te kunnen kopen, gaan wij voorlopig uit van een lineaire generator. Net koppelen van door de TAP geproduceerde elektrische energie. De beschikbare warmte zal (in de meeste praktijk situaties) niet altijd constant en niet even groot aanwezig zijn. Hierdoor is het noodzakelijk de TAP op het net te koppelen via een frequentieregelaar en een spanningsregelaar. Dit is in principe gelijk aan de wijze waarop de door windmolens geproduceerde elektriciteit aan het net gekoppeld wordt.


[ 25 ]

3.5

Koelen van de TAP

Voor het afvoeren van de warmte (op een lage temperatuur van ca. 30°C) kan gebruik gemaakt worden gemaakt van (buiten-)lucht of water. a. lucht. Om voldoende te kunnen koelen met (buiten-)lucht is relatief veel buitenlucht nodig. De buitenlucht mag ook niet te veel opwarmen om voldoende rendement van de TAP te behouden. Hiervoor zijn grote warmtewisselaars en is veel hulpenergie nodig. Om deze reden is een TAP configuratie met buitenlucht koeling niet verder onderzocht; b. water. Dit kan oppervlaktewater, koeltorenwater en/of proceswater zijn, afhankelijk van de lokale omstandigheden en beschikbaarheid. Hulpventilator Wanneer de TAP in een bestaande installatie wordt ingepast zal, ten gevolge van de weerstand van de rookgaswisselaar, mogelijk extra ventilator vermogen nodig zijn. In de kostprijs van de TAP is daarom rekening gehouden met een extra hulpventilator. Afhankelijk van de lokale omstandigheden moet worden bekeken of een hulpventilator daadwerkelijk nodig is of dat de extra weerstand ook met de bestaande installatie kan worden opgebracht.

3.6

Fabrikanten en leveranciers

Gedurende de ontwikkeling van de TAP zijn diverse leveranciers en fabrikanten geraadpleegd. De in deze paragraaf genoemde partijen zijn van grote waarde geweest. In de vervolgfase van de commercialisatie zullen zij voor zo mogelijk een blijvende rol vervullen. Fainox Stainless Steel Products B.V. Dit is een kleine machine- en apparatenbouwer met een flexibele houding en een eigen engineeringafdeling. Fainox heeft met name in rol gespeeld bij de ontwikkeling van de directe TAP. Hun rol daarbij was daarbij met name gericht op de resonator en het samenbouwen van de gehele TAP. Bronswerk Heat Transfer BV heeft ons met name bijgestaan bij het berekenen van de warmteoverdracht in de gas-gas warmtewisselaars. Daarbij hebben zij ook interesse getoond om als partner te gaan fungeren bij de productie en de verkoop. Bronswerk heeft een internationaal verkoopapparaat en is gericht op de mondiale industrie en energiebranche. Huisman Elektrotechniek BV is reeds jaren de partner van Aster. Hun rol is met name gericht op de regeltechniek en op de koppeling van de TAP aan het openbare net. Hiertoe hebben zij een ontwerp gemaakt en een prijs gecalculeerd. Haalbaarheidsstudie TAP

[ 26 ]

CFIC / Qdrive in Troy US Dit bedrijf maakt lineaire motoren (“Star engine”) voor thermoakoestische systemen (puls tube coolers) die ook als generator kunnen worden gebruikt. De grootste unit heeft een vermogen van 20 kWe bij 60 Hz. Bij de maximale slag van het anker is het uitgangsvermogen evenredig met de frequentie12. In de TAP worden vier generatoren toegepast. Bij een werkfrequentie vanaf 75 Hz is het gezamenlijk elektrisch uitgangsvermogen tenminste 100 kW.

Figuur 3.4 10 kW lineare generator (foto www.qdrive.com)

LDS UK / ABTroninx B.V. Breda Maakt en levert elektrodynamische aandrijving (shakers) voor triltafels. De grootste aandrijf (motor) unit die ook als generator kan worden gebruikt is geschikt voor 60 kVA. In de TAP kunnen dan zowel twee als vier van dergelijke als generator gebruikte lineaire motoren en worden gebruikt. Door de toepassing is het eigengewicht van deze uitvoeringsvorm echter aanzienlijk groter dan nodig is ten opzichte van het elektrisch vermogen. Door de fabrikant is aangegeven dat bij serie productie kan dit kan worden aangepast

Figuur 3.5 Klein vermogen “shaker” (V406) in een testopstelling geschakeld als lineare generator (beschikbaargesteld door ABTronix.B.V voor metingen)

12

Ve  d / dt


[ 27 ]

Zowel uit de specificaties als uit de metingen aan de V406 blijkt een conversierendement in de orde van 0.9 realistisch. Vergeleken bij roterende generatoren is de markt voor lineaire generatoren klein waardoor de kosten per kWe op dit moment nog hoog zijn. Omdat een lineaire generator in principe dezelfde onderdelen bevat13 als met een gewone elektromotor of een wisselstroom generator zal bij massa productie de uiteindelijk kostprijs ook vergelijkbaar zijn. Tabel 3.1 geeft een indicatief verloop van de prijs per kW op basis van de door de leveranciers verstrekte informatie aantal

€ / kW

leverancier

1

1.630

LDS/ABTronix

1.000

180

CFIC/Qdrive

>100.000

80

o.a. Bosch

toelichting “special product” T&M markt wordt op kleine schaal gebruikt voor thermoakoestische toepassingen massaproduct zoals wisselstroom generator

Tabel 3.1 Prijsontwikkeling lineaire generator

Uit de beperkte marktinventarisatie blijkt zowel de beschikbaarheid als het elektrisch vermogen van de verkrijgbare lineaire generatoren geen belemmering vormt voor het realiseren van TAP bij de geplande temperaturen en vermogens. Leveranciers hoge en lage temperatuur warmtewisselaars Voor de indirecte TAP zijn de hoge en lage temperatuurwarmtewisselaars identiek. Het zijn standaard gas-vloeistof (water) warmtewisselaars zoals die worden gebruikt als oliekoeler of condensor in een auto-airco. Gunstige eigenschappen van dit type is de kleine vinafstand en structuur (louvred fins). Door de geringe dikte is de lengte in akoestische richting klein waardoor entropie generatie en dissipatie gering is. Dit type warmtewisselaar wordt geheel in aluminium vervaardigd en kan een druk weerstaan van ten minste 25 bar. Een typische uitvoeringvorm is gegeven in figuur 3.6

13

spoelen, magneten


[ 28 ]

Figuur 3.6 Condensor (aluminium warmtewisselaar)

Het totale warmtewisselaaroppervlak in de TAP moet gelijk zijn aan het regeneratoroppervlak ( 2 m2). Volgens opgave van de fabrikanten is de maximale afmeting die in één keer kan worden gemaakt ongeveer 1000 x 600 m. Het is echter goed mogelijk de hoge en lage temperatuurwarmtewisselaar samen te stellen uit meerdere “blokken”. Er zijn verschillende fabrikanten / leveranciers van radiatoren benaderd voor een prijsopgave.   

ERF (Eindhovense Radiatoren fabriek) Radiateuren Service Brabant (RSB) Airco techniek www.aircotechniek.nl

De opgegeven kosten liggen in de orde van € 3000,- / m2 voor speciaal gemaakte warmtewisselaars tot € 1300,- / m2 voor een warmtewisselaar samengesteld uit standaard maten. Leverancier regenerator De regenerator is opgebouwd uit een aantal 20-30 lagen RVS gaas. RVS gaas is een standaard product en bij verschillende leveranciers verkrijgbaar in een groot aantal maten en samenstellingen. Één van de mogelijke leveranciers is Dinxperloo Metaalgaas Weverij. Bij grote hoeveelheden daalt de prijs van dit gaas tot minder dan €25,- per m2.


[ 29 ]

4

Inpassing TAP in de papierindustrie: 4 voorbeelden

In § 2.4 zijn de vier papierfabrieken genoemd die na met het KCPK uitgevoerde deskresearch zijn geselecteerd voor nader onderzoek. In dit hoofdstuk worden de resultaten beschreven van de inpassingsmogelijkheden zonder expliciet te noemen om welke fabrieken het gaat. 4.1

Het droogproces bij papierfabriek A

4.1.1

Het drogen van papier

Het produceren van papier is een nat proces. Na de productie dient het papier dan ook te worden gedroogd, zie figuur 4.1. Voor het drogen van het papier wordt buitenlucht gebruikt (1). De buitenlucht wordt voorverwarmd via een warmtewisselaar met warme/vochtige lucht uit het droogproces. De opgewarmde buitenlucht (2a) wordt gemengd met retourlucht uit het proces (4a) en met een brander verwarmd. Deze warme/droge lucht (3) wordt gebruikt voor het drogen van het papier. De afvoerlucht van het proces (4b) wordt afgekoeld in de warmtewisselaar (4b-5). Vervolgens wordt de warme/vochtige lucht (6) verder afgekoeld met 2 warmtewisselaars (ten behoeve van gebouwverwarming) en naar buiten (7) afgevoerd. 1. Buitenlucht Max: 12.000 kg/h Min: 6.000 kg/h -15 - +30 °C 12,7 gr/kg atmosferisch

2. voorverwarmde lucht Max: 12.000 kg/h Min: 6.000 kg/h gas 65 - 125°C 12,7 gr/kg -6,5 mmWK

stoom

3

2

1

3. Lucht naar droogproces

verwarming warmte wisselaar

2 warmte wisselaars 1 WW voor de cv installatie met watertemperatuur intrede: 70/73°C; uittrede: 87/93°C; 1 WW voor lucht van 2 gebouwen op 30°C te houden met watertemperatuur intrede: 50/65°C; uittrede 73°C; Capaciteit 600 kW (eco) en 1730 kW (condensor);

4a

4a. Recirculatie lucht 125.500 kg/h Max: 220°C 340 – 700 gr/kg

2 warmte wisselaars

6

droogproces

5 4b

6. Warme/vochtige lucht 70°C atmosferisch

5. Warme/vochtige lucht 6.000 – 12.000 kg/h 170°C 340 – 700 gr/kg

4b.Warme/vochtige lucht 6.000 – 12.000 kg/h 180 - 220°C 340 – 700 gr/kg

Verwarming gebouwen

Figuur 4.1 processchema drogen van papier


[ 30 ]

4.1.2

Inpassing van de TAP in het droogproces

De inpassing van de TAP in het droogproces is afgebeeld in figuur 2.2. De afvoerlucht van het papier droogproces (4b) kan voor de TAP worden gebruikt. Vanwege de hoge temperatuur is het, energetisch gezien, gunstig de TAP hiermee te voeden. Hierdoor blijft echter minder warmte over voor de voorverwarming van de buitenlucht. Om dezelfde luchtcondities voor het droogproces te krijgen zal de brander hierdoor extra warmte moeten toevoeren, wat een verhoging van het gasgebruik tot gevolg heeft. Vanwege deze reden wordt deze afvoerlucht niet gebruikt voor de TAP. De afvoerlucht ná de warmtewisselaar (5) kan ook worden gebruikt voor de TAP. De warme en vochtige lucht, met een temperatuur tussen de 135 en 170°C en een vochtinhoud van 340 – 700 gr/kgdroge lucht, zal door de TAP worden afgekoeld tot ca. 100 °C. Het condensatiepunt van lucht met 700 gr/kg is ongeveer 83°C. Hierdoor is het aannemelijk dat de lucht niet of bijna niet zal condenseren. Uitgangspunt voor het dimensioneren van de TAP is een luchthoeveelheid van 10.000 kg/h met een temperatuur van 170ºC en een vochtinhoud van 700 gr/kg.

2a. Voorverwarmde lucht 65 - 125°C 12,7 gr/kg -6,5 mmWK

1. Buitenlucht 10.000 kg/h -15 / +30 °C 12,7 gr/kg atmosferisch

3. Lucht naar droogproces gas

2

stoom

3

1 verwarming

TAP

6

7.Warme/vochtige lucht 4.360 kW 75°C

4a

4a.Recirculatie lucht 125.500 kg/h Max: 220°C 340 – 700 gr/kg

2 warmte wisselaars

7

warmte wisselaar

koelwater Max: 400 kW 25°C

2 warmtewisselaars In deellast 1.140 kW

droogproces

6. Warme/vochtige lucht 10.000 kg/h 5.500 kW 100°C 700 gr/kg

Verwarming gebouwen

4b

5

5. Warme/vochtige lucht 10.000 kg/h 5.950 kW 170°C 700 gr/kg

elektriciteit 41,3 kW;

Figuur 4.2: processchema drogen van papier met inpassing van TAP.


[ 31 ]

4b. Warme/vochtige lucht 10.000 kg/h 220°C 700 gr/kg

Momenteel wordt een gedeelte van de warmte in de afgevoerde lucht uit het droogproces gebruikt voor gebouwverwarming (6-7). De TAP mag geen warmte gebruiken die nodig is voor de gebouwverwarming. Het extra bijstoken in een gasketel ten behoeve van de gebouwverwarming weegt niet op tegen de extra elektriciteitsproductie van de TAP. De TAP kan dan ook alleen ingezet worden indien de warmte (met een hoge temperatuur) niet nodig is voor de gebouwverwarming. Een inschatting is dat ca. 1.000 vollasturen per jaar gebouwverwarming nodig is. Het aantal bedrijfsuren per jaar van het droogproces is volgens opgave ca. 7.500 uur/jaar. De TAP kan hierdoor ca. 6.500 uur per jaar in bedrijf zijn. De lucht uit de TAP van 100°C is nog wel geschikt voor het opwarmen van water (voor de gebouwverwarming) met een capaciteit van 1.138 kW (ca. 50% lager dan de ontwerpcapaciteit). De afvoerlucht (7) met een temperatuur van ca. 75°C is in verband met de lage temperatuur niet geschikt voor de TAP. Het plaatsen van de TAP hier is dan ook geen mogelijkheid.


[ 32 ]

4.2

De opwekking van elektriciteit en stoom bij papierfabriek B

4.2.1

Huidig principe elektriciteit- en stoomproductie

In het processchema figuur 4.3 is het principe van de elektriciteit- en stoomproductie weergegeven. Bij de elektriciteitproductie wordt o.m. 60 ton/uur stoom geproduceerd van 3,6 bar en 145°C die gedeeltelijk gebruikt wordt voor de papierproductie. De stoom die “over” is (minimaal 10 ton/uur) wordt afgevoerd naar buiten. Deze stoom is geschikt voor de omzetting naar elektriciteit m.b.v. de TAP.

Baseload GT 70 ton/uur stoom 80 bar; 500ºC; Bijstookbrander 135-70-65 ton/uur stoom 80 bar; 500ºC; 21 bar stoom voor de Nox gasturbine; 5,8 – 3,6 bar voor PM6 (papierproductie) Stadsverwarming; 120ºC; 180 m³/h.

Centrale verwarming + slibdroging; 130ºC; 120 m³/h.

Aardgas 8 bar 135 t/h; 80 bar; 500 ºC;

Aardgas 20 bar 540 ºC

40 MW 10 kV

20 MW 10 kV

21 bar 335 ºC

STT5

GT 6

Stoom voor papier productie 145ºC; 3,6 bar

Stoom voor papier productie 160ºC; 5,8 bar

Figuur 4.3. processchema elektriciteit- en stoomopwekking


[ 33 ]

4.2.2

Inpassing TAP

De stoom die “over” is (10 ton/uur; 145ºC; 3,6 bar) wordt gebruikt voor de TAP. Uitgangspunt is dat de warmte die vrij komt bij de condensatie van stoom wordt gebruikt voor de elektriciteitproductie van de TAP. verlies 50 kW

Stoom 7.600 kW 10.000 kg/uur 145 °C

koelwater 5.400 kW 20 – 30 °C

condensaat 1.600 kW 133 °C

TAP

Elektriciteit 550 kW

Figuur 4.4 processchema TAP met stoom.

4.3

Papierfabriek C voorgeschakelde TAP

4.3.1

Huidige principe van elektriciteit- en stoomproductie

Elektriciteit- en stoomproductie met behulp van een gasturbine en stoomketel volgens processchema zoals in figuur 4.5 is weergegeven. De gasturbine produceert elektriciteit en de uitlaatgassen van ca. 550°C worden in een stoomketel omgezet in 9 ton/uur stoom met een temperatuur van 200°C. De rookgassen van 167°C worden naar buiten afgevoerd.


[ 34 ]

verlies 540 kW

rookgassen 3.070 kW 167 °C

verlies 830 kW


Stoom 7.000 kW 9.000 kg/uur 200 °C

stoomketel

Gas input 14.890 kW

condensaat 800 kW 100 °C

gasturbine

Elektriciteit 4.250 kW

Figuur 4.5 processchema elektriciteit- en stoomproductie

4.3.2

Inpassing TAP

De TAP wordt gebruikt om uitlaatgassen van 550°C om te zetten in elektriciteit. De uitlaatgassen koelen af tot ca. 500°C. De stoomketel zal door een lagere intrede temperatuur minder stoom produceren. Het gebruik van hoge temperatuur warmte resulteert in een hoog elektrisch rendement (21%) van de TAP (zie figuur 4.6). verlies 540 kW

koelwater 690 kW 20 – 30 °C

verlies 34 kW


verlies 740 kW

rookgassen 9.200 kW 500 °C stoomketel

rookgassen 10.100 kW 550 °C TAP

Stoom 5.600 kW 7.200 kg/uur 200 °C

condensaat 640 kW 100 °C Elektriciteit 198 kW

Gas 14.890 kW gasturbine Elektriciteit 4.250 kW

Figuur 4.6 inpassing TAP in processchema elektriciteit- en stoomproductie


[ 35 ]

4.4

Papierfabriek C nageschakelde TAP

4.4.1

Huidige principe van elektriciteit- en stoomproductie

Elektriciteit- en stoomproductie met behulp van een gasturbine en stoomketel volgens processchema zoals in figuur 4.7 is weergegeven. De gasturbine produceert elektriciteit en de uitlaatgassen van ca. 550°C worden in een stoomketel omgezet in 9 ton/uur stoom met een temperatuur van 200°C. De rookgassen van 167°C worden naar buiten afgevoerd.

verlies 540 kW

verlies 830 kW



Stoom 7.000 kW 9.000 kg/uur 200 °C

stoomketel

Gas input 14.890 kW

condensaat 800 kW 100 °C

gasturbine

Elektriciteit 4.250 kW


4.4.2

Inpassing TAP

De TAP wordt gebruikt om uitlaatgassen/rookgassen van 167°C om te zetten in elektriciteit zoals in processchema figuur 4.8 is weergegeven.


[ 36 ]

verlies 540 kW

verlies 830 kW

rookgassen 1.840 kW

verlies 19 kW

koelwater 1.100 kW




stoomketel Stoom 7.000 kW 9.000 kg/uur 200 °C

Gas 14.890 kW

condensaat 800 kW 100 °C gasturbine Elektriciteit 4.250 kW


4.5

Elektriciteit- en stoomproductie bij papierfabriek D

4.5.1

Huidige principe van elektriciteit- en stoomproductie.

Elektriciteit- en stoomproductie met behulp van een gasturbine en stoomketel volgens processchema in figuur 4.9. De gasturbine produceert elektriciteit en de uitlaatgassen van ca. 550°C worden in een stoomketel omgezet in stoom. De rookgassen van 160°C worden naar buiten afgevoerd.


[ 37 ]

verlies

verlies



Stoom stoomketel

Gas input

condensaat gasturbine Elektriciteit



[ 38 ]

4.5.2

Inpassing TAP

De TAP wordt gebruikt om uitlaatgassen/rookgassen van 160°C om te zetten in elektriciteit zoals in processchema figuur 4.10 is weergegeven. verlies

verlies

rookgassen 1.840 kW

verlies 19 kW

koelwater 1.100 kW




stoomketel Stoom

Gas

condensaat

gasturbine Elektriciteit



[ 39 ]

5

Economische haalbaarheid

5.1

uitgangspunten

In algemene zin stellen wij dat de Nederlandse industrie op zoek is naar verlaging van de energiekosten en naar verlaging van de CO2 emissies. Mede als gevolg van de met de overheid gesloten convenanten zijn diverse branches actief op zoek naar de mogelijkheden voor energiebesparing. Daar verlaging van de energiekosten meestal gepaard gaan met investeringen dienen de investeringsvoorstellen te worden gewogen met behulp van bedrijfseconomische criteria. In de industrie wordt het begrip `terugverdientijd` vaak gebruikt. Sommige bedrijven hanteren criteria van 3 tot maximaal 5 jaar. Investeringen in duurzame energie, waartoe strikt genomen de TAP niet behoort vanwege de veelal fossiele brandstoffen die primair worden ingezet, kennen veelal langere terugverdientijden. Afhankelijk van de branches die elk een eigen terugverdientijdcriterium kennen, spreken wij dan van een onrendabele top. Ter aanvulling op het terugverdientijdcriterium berekenen wij de integrale kosten van de elektriciteit met de TAP opgewekt. Deze kosten vergelijken wij met de elektriciteit die via de energiebedrijven wordt ingekocht. Wij rekenen hiertoe de investering om via rente en afschrijving (annuïtair) naar jaarlijkse kapitaallasten en verhogen deze met de jaarlijkse beheer- en onderhoudskosten. Deze kosten vergelijken wij met de opbrengsten: de netto elektriciteitsproductie maal een kWh-prijs. Onze uitgangspunten zijn de prijzen die ongeveer gelden voor 2009: - rente 5%; - prijs aardgas all in: € 0,35/m3 (alleen relevant voor zover er sprake is van derving van stoomproductie); - prijs elektriciteit all in: € 0,10/kWh. 5.2

concurrerende energieconversietechnieken

De TAP zal in bedrijfseconomische zin zich moeten bewijzen ten opzichte van de volgende alternatieven: 1. niet investeren in de TAP, maar de elektriciteit kopen van een energiebedrijf; 2. investeren in warmteterugwinning, al dan niet met een warmtepomp, zodat het primaire brandstofverbruik van de fabriek daalt; 3. de warmte winnen (“uitkoppelen”) voor levering aan derden, bijvoorbeeld ten behoeve van het verwarmen van een gebouw, zwembad of tuinbouwkas; 4. opwekken van elektriciteit uit de warmte met een ander conversieproces, zoals Stirling, ORC of Kalina.


[ 40 ]

De mogelijkheden 2. en 3. zijn zodanig specifiek dat wij onmogelijk in algemene zin de TAP hier mee kunnen vergelijken. De andere alternatieven kunnen wel als vergelijkingsmaatstaf dienen. De prijs van ingekochte elektriciteit vergelijken wij met de integrale kostprijs van de met de TAP opgewekte elektriciteit. Zoals genoemd in § 5.1 gaan we uit van een elektriciteitsprijs van € 0,10 per kWh. Daar de TAP alleen kapitaallasten en (zeer beperkte) onderhoudskosten kent en geen brandstofkosten (gratis beschikbaar), is een vergelijking met andere conversietechnieken vrij gemakkelijk. Het gaat dan immers met name om het investeringsbedrag per kWe geïnstalleerd vermogen. Voor zover ons bekend zijn op dit moment geen commercieel verkrijgbare stirlingmotoren op deze schaal beschikbaar. Ook het Kalina proces is niet commercieel verkrijgbaar op deze schaal. Anders is dat bij ORC apparatuur. Teneinde de stand van de techniek en de investeringskentallen van moderne ORC apparatuur te vergaren, heeft Innoforte op 19 en 20 mei het internationale syposium van de Hogeschool West Vlaanderen (Howest) bijgewoond. Onderstaande grafiek is gepresenteerd door ir. Sergei Gusev van Howest. Een “basis set price” voor een “derivative machine” (omgekeerd werkende koelmachine) bedraagt ongeveer € 1.700 per kWe, zie figuur 5.1. Deze waarde is echter geen goede vergelijkingsmaatstaf voor de TAP. De ORC‟s zoals in de praktijk op deze schaal te koop zijn werken veelal als nageschakelde cyclus na een gasmotor WKK of op thermische olie welke wordt verwarmd door een biomassacentrale. De temperatuur van de warmtebron ligt hierbij op 300 à 400°C. Het elektrische vermogen ligt op 14 à 20%. Een ORC kan ook worden gevoed op een temperatuur van 150°C, zoals bij de TAP. Het elektrische rendement zal daarbij dalen tot maximaal 10%, zoals bij de TAP. Daar de investeringen echter niet dalen, neemt de investering per geïnstalleerde kWe navenant toe. De specifieke investering van een ORC neemt hierdoor toe van circa € 1.700 per kWe naar circa € 2.500 à €3.000 per kWe.


[ 41 ]

Figuur 5.1 investeringskentallen ORC, mei 2009

Teneinde een faire vergelijking te kunnen maken met de TAP dienen we verder voor de ORC niet uit te gaan van een netto setprijs maar van een totaalprijs, dus inclusief thermische inpassing, regeltechniek, netinpassing, engineering, frame en installatiekosten. Howest geeft aan dat de totale investeringen van een ORC na installatie ongeveer 2,2 keer zo hoog is als de netto set prijs. Een 100 kWe ORC die werkt op een temperatuur van 150°C komt daarmee op circa € 5.500 à € 6.600 per kWe.


[ 42 ]

5.3

Investering TAP

Om een goed inzicht te krijgen in de integrale investering van een compleet TAPsysteem is met diverse leveranciers en bedrijven gesproken. In onderstaande tabel 5.1 zijn de investeringsbedragen van de verschillende componenten van de TAP aangegeven. Deze bedragen zijn exclusief eventueel nog te maken ontwikkelen aanloopinvesteringen en exclusief verkoopkosten en winstmarge. Van de belangrijkste componenten van de TAP zijn offertes aangevraagd en in de kostprijs berekening meegenomen. De kostprijs van een TAP van 1 MW thermisch vermogen en 90 kWe elektrisch vermogen bedraagt ca. € 275.000. In de energetische berekeningen zijn wij uitgegaan van de te behalen exergetische rendementen per component van de TAP. Op basis van de ontwerpberekeningen komt de 1 MW Tap uit op een hogere output dan 90 kWe. In de bedrijfseconomische analyse gaan wij echter liever uit van een extra veiligheidsmarge en rekenen daarom met een output van 90 kWe. Rookgaswisselaar 4 regeneratoren 4 koelwaterwisselaar 4 heetwaterwisselaar lineaire generatoren Netsynchronisatie leidingen en pomp tussenmedium Resonator kanalenwerk rookgassen hulpventilator (rookgas) regeltechniek, sensoren koelwater leidingen Koelwaterpomp Helium Opstellingsframe Samenstellen inbouwen + in bedrijf stellen TOTAAL TOTAAL €/kWe TOTAAL €/kWth

53.600 3.120 20.000 20.000 20.000 31.500 10.000 50.000 8.000 12.000 5.000 10.000 2.000 500 5.000 10.000 15.000 275.720 3.064 276

Tabel 5.1 investeringsbegroting TAP

Bovengenoemde investering betreft een complete TAP, ingebouwd in een rookgaskanaal en in bedrijf gesteld. Ter vergelijking met de ORC: een netto setprijs (zonder rookgaswisselaar, koelwaterwisselaar, netsynchronisatie, kanalenwerk rookgassen, hulpventilator rookgassen, koelwaterleidingen, koelwaterpomp, opstellingsframe, inbouwen en in bedrijfstellen) zou € 118.620 kosten, (€ 1.300 per kWe). Dit is een factor 2,3 lager, hetgeen ongeveer


[ 43 ]

overeenkomt met het praktijkcijfer van Howest (factor 2,2 tussen setprijs en totale investering). 5.4

bedrijfseconomische rentabiliteit TAP

5.4.1

Bedrijfseconomie papierfabriek A

Volgens de genoemde uitgangspunten en berekende investeringen van de TAP zijn de kosten en baten voor de toepassing van de TAP in het droogproces van papierfabriek A weergegeven in onderstaande grafiek, figuur 5.2.

kosten - opbrengst TAP 30.000

25.000 energie opbrengst [€/a]

€/jaar

20.000

hulp energiekosten [€/a]

15.000

10.000

onderhoudskosten [€/a]

5.000 kapitaallasten [€/a]

0 kosten

opbrengst

Figuur 5.2 kosten en opbrengst van de TAP in droogproces, papierfabriek A

1. De jaarlijkse opbrengst (=vermeden inkoop elektriciteit) is hoger dan de jaarlijkse kosten (kapitaallasten, onderhoudskosten en kosten hulpenergie). 2. Uitgangspunt is dat de TAP alleen wordt gebruikt wanneer de warmte “over” is en niet gebruikt wordt voor de gebouwverwarming. Proceswarmte beschikbaar 7.500 uur/jaar; Gebouwverwarming nodig 1.000 uur/jaar; TAP in bedrijf 6.500 uur/jaar.


[ 44 ]

3. Uitgegaan is dat de opgewekte elektrische energie zelf gebruikt kan worden en dat de opbrengst van de TAP de vermeden kosten zijn voor inkoop van elektrische energie. Het voordeel van een lagere afname in piekstroom is niet verdisconteerd. 4. Besparing CO2 uitstoot is 139.000 kg/jaar. Conclusie: a. De TAP kan op deze wijze bedrijfseconomisch verantwoord worden ingezet. b. Omdat de afvoerlucht veel vocht bevat is er nog relatief veel warmte (4.360 kW) over in de afvoer lucht. Voor de TAP is echter de temperatuur te laag om de warmte om te zetten in elektriciteit. c. Nader te onderzoeken welke mogelijkheden er zijn om de restwarmte van 4.360 kW te benutten. 5.4.2

Bedrijfseconomie papierfabriek B

Volgens de genoemde uitgangspunten zijn de kosten en baten voor de toepassing van de TAP in het droogproces weergegeven in onderstaande grafiek in figuur 5.3.

kosten - opbrengst TAP 250.000

energie opbrengst [€/a]

200.000

hulp energie kosten [€/a] Onderhoudskosten [€/a]

150.000

Kapitaallasten [€/a]

100.000

50.000

0 kosten

opbrengst

Figuur 5.3. kosten en opbrengst TAP papierfabriek B

1. De jaarlijkse opbrengst (=vermeden inkoop elektriciteit) is ongeveer gelijk aan de jaarlijkse kosten (kapitaallasten, onderhoudskosten en kosten hulpenergie). 2. Uitgangspunt is dat de TAP 3.500 uur/jaar in bedrijf is. Indien het aantal bedrijfsuren per jaar hoger is zullen de opbrengsten naar rato stijgen


[ 45 ]

terwijl de kosten nagenoeg gelijk blijven. Hierdoor zou het resultaat veel gunstiger kunnen worden. 3. Uitgegaan is dat de opgewekte elektrische energie zelf gebruikt kan worden, en dat de opbrengst van de TAP de vermeden kosten zijn voor inkoop van elektrische energie. Het voordeel van een lagere afname in piekstroom is niet verdisconteerd. 4. Besparing CO2 uitstoot 1.100.000 kg/jaar. 5. Bij stijgende elektriciteitsprijzen zal de opbrengst naar rato stijgen terwijl de kosten nagenoeg gelijk blijven. Hierdoor wordt het resultaat gunstiger. Conclusie: 1. Met het door papierfabriek B voorgestelde aantal vollasturen is een rendabele exploitatie van de TAP niet mogelijk. 2. Het condensaat dat over blijft na de TAP bevat is er nog relatief veel warmte (1.600 kW). 3. Nader te onderzoeken welke mogelijkheden er zijn om de restwarmte van 1.600 kW te benutten. 5.4.3

Bedrijfseconomie papierfabriek C voorgeschakelde TAP

Volgens de genoemde uitgangspunten zijn de kosten en baten voor de toepassing van de TAP weergegeven in onderstaande grafiek, figuur 5.4.

kosten - opbrengst TAP 350.000 300.000 opbrengst electriciteitsproduktie [€/a]

250.000

minder stoomproductie [€/a]

200.000 onderhoudskosten [€/a]

150.000 kapitaallasten [€/a]

100.000 50.000 0 kosten

opbrengst

Figuur 5.4 kosten en opbrengst TAP papierfabriek C voorgeschakelde TAP

Conclusie: het toepassen van de TAP in deze configuratie is niet zinvol.


[ 46 ]

5.4.4

Bedrijfsconomie papierfabriek C nageschakelde TAP

De kosten en baten voor de toepassing van de TAP in de afvoerrookgassen van de stoomketel zijn weergegeven in onderstaande grafiek, figuur 5.5.

kosten - opbrengst TAP 70.000 60.000 energie opbrengst TAP [€/a]

50.000

hulpenergie verbruik [€/a] onderhoudskosten [€/a]

40.000

kapitaallasten [€/a]

30.000 20.000 10.000 0 kosten

opbrengst

Figuur 5.5 kosten en opbrengst TAP papierfabriek C nageschakelde TAP

1. De jaarlijkse opbrengst (=vermeden inkoop elektriciteit) is hoger dan de jaarlijkse kosten (kapitaallasten, onderhoudskosten en kosten hulpenergie). 2. Uitgangspunt is dat de TAP 8.000 uur/jaar in bedrijf is. 3. Uitgegaan is dat de opgewekte elektrische energie zelf gebruikt kan worden, en dat de opbrengst van de TAP de vermeden kosten zijn voor inkoop van elektrische energie. Het voordeel van een lagere afname in piekstroom is niet verdisconteerd. 4. Besparing CO2 uitstoot 460.000 kg/jaar. Conclusie: a. De TAP kan op deze wijze bedrijfseconomisch worden ingezet. b. De temperatuur van de afvoerlucht is ca. 100ºC en bevat nog ca. 1.840 kW warmte. c. Nader te onderzoeken welke mogelijkheden er zijn om de restwarmte van 1.840 kW te benutten.


[ 47 ]

5.4.5

Bedrijfseconomie papierfabriek D

De kosten en baten voor de toepassing van de TAP in de afvoerrookgassen van de stoomketel in papierfabriek D zijn weergegeven in figuur 5.6.

kosten - opbrengst TAP 90.000 80.000 energie opbrengst TAP [€/a]

70.000

hulpenergie verbruik [€/a]

60.000

onderhoudskosten [€/a]

50.000

kapitaallasten [€/a]

40.000 30.000 20.000 10.000 0 kosten

opbrengst

Figuur 5.6 kosten en opbrengst TAP papierfabriek D

1. De jaarlijkse opbrengst (=vermeden inkoop elektriciteit) is hoger dan de jaarlijkse kosten (kapitaallasten, onderhoudskosten en kosten hulpenergie). 2. Uitgangspunt is dat de TAP 8.000 uur/jaar in bedrijf is. 3. Uitgegaan is dat de opgewekte elektrische energie zelf gebruikt kan worden, en dat de opbrengst van de TAP de vermeden kosten zijn voor inkoop van elektrische energie. Het voordeel van een lagere afname in piekstroom is niet verdisconteerd. 4. Besparing CO2 uitstoot 440.000 kg/jaar. Conclusie: 1. De TAP kan op deze wijze bedrijfseconomisch worden ingezet. 2. De temperatuur van de afvoerlucht is ca. 100 ºC en bevat nog ca. 1.840 kW warmte. 3. Nader te onderzoeken welke mogelijkheden er zijn om de restwarmte van 1.840 kW te benutten.


[ 48 ]

5.5

Bedrijfseconomische analyse

Bovenstaand zijn de kosten/baten analyses van de investeringen in de TAP bij de verschillende papierfabrieken getoond. In de bijlagen C tot en met G zijn achterliggende energetische en economische berekeningen opgenomen. De rentabiliteit van de TAP “in de schoorsteen”, nageschakeld na een stoomketel, blijkt bedrijfseconomisch gezien het meest interessant. Dit is papierfabriek C en D. Weliswaar is ook de restwarmte uit de droger (papierfabriek A) bedrijfseconomisch interessant, doch dit is een dermate specifieke toepassing voor de papierindustrie dat wij de marktpotentie hiervoor kleiner achten dan bij de nageschakelde TAP na de stoomketel. Dat is immers een generieke toepassing die ook buiten de papierindustrie veel voorkomt. In de berekeningen in de bijlagen is geen terugverdientijd opgenomen. Voor het voorbeeld van papierfabriek D is de berekening van de terugverdientijd daarom onderstaand afgebeeld, in tabel 5.2. elektrisch vermogen specifieke tot. investering totale investering

101 [kWe] 3.100 [€/kWe] 314.038 [€]

Hulpenergie netto vermogen Vollasturen netto elektriciteitsproductie Opbrengst Onderhoudskosten

9,7 92 8.000 732.821

[kWe] [kWe] [h] [kWh/jaar]

73.282 [€/jaar] 3.140 [€/jaar]

netto opbrengst

70.142 [€/jaar]

Terugverdientijd

4,5 jaar

Tabel 5.2 berekening terugverdientijd TAP in de schoorsteen

De belangrijkste conclusies uit de bedrijfseconomische analyse is dat de TAP met een goed bedrijfseconomisch rendement kan worden ingezet, gebruikmakend van restwarmte uit rookgassen met een temperatuur vanaf ca. 150ºC, mits deze continu (8.000 uur/jaar) beschikbaar is.


[ 49 ]

5.6

Demonstratie bij papierfabriek Smurfit Kappa

Met de doelstelling van een halvering van het energieverbruik in de papierketen in 2020, heeft de papier- en kartonindustrie met haar Energietransitie Papierketen een heel belangrijke stap gezet naar het bereiken van de klimaatdoelstellingen van de overheid. Om dit te bereiken werken de Koninklijke VNP en het Kenniscentrum Papier en Karton (KCPK) samen in de ontwikkeling van innovatieve concepten en technologieën om het energieverbruik significant te reduceren. Binnen het programma Energie Neutraal Papier van de Energietransitie Papierketen worden diverse initiatieven uitgevoerd gericht op nieuwe energiebronnen en efficiënte energieconversie. Het beter benutten en opwaarderen van restwarmte is hierin een belangrijk thema. Innoforte heeft overleg gevoerd met 5 papierfabrieken, waarvan uiteindelijk bij 4 berekeningen zijn uitgevoerd (papierfabrieken A tot en met D). Deze fabrieken toonden allen interesse in een mogelijke demonstratie eenheid van de TAP. Innoforte heeft in overleg met het KCPK papierfabriek Smurfit Kappa gekozen. Dit vanwege de hoge rentabiliteit en de generieke toepassing van de TAP in de schoorsteen bij dit bedrijf. Dr.ir. Annita Westenbroek, coördinator van het programma „Energie Neutraal Papier‟, KennisCentrum Papier & Karton: “Wij willen het initiatief om restwarmte om te zetten in elektriciteit van harte ondersteunen. Innoforte heeft in samenwerking met een aantal papierfabrieken zodanig voorwerk verricht dat wij enthousiast zijn over de mogelijkheden van de TAP in de Nederlandse papierindustrie. Een demonstratieproject zullen wij nauwlettend volgen en daarbij tevens de vergaring en verspreiding van kennis en resultaten faciliteren.”

De Smurfit Kappa Group streeft er naar om op wereldniveau toonaangevend te zijn in op papier gebaseerde verpakkingsmaterialen. Henk Hoven (Director Operations Smurfit Kappa Solid Board): “Wij streven continu naar verhoging van de kwaliteit en verlaging van de kosten. Duurzaamheid is onlosmakelijk met dit streven verbonden. De mogelijkheid om met de TAP uit voor ons nutteloze restwarmte een waardevolle energievorm als elektriciteit te maken geniet onze warme belangstelling. Gezien de getoonde berekeningen denken wij dat er een grote markt kan ontstaan voor de TAP. Wij zijn dan ook verheugd dat wij kandidaat mogen zijn om de werking van de TAP in onze praktijk te mogen ervaren.”

5.7

marktpotentie

De toepassing waar wij momenteel de nadruk op leggen is stoomproductie op basis van een gasturbine met afgassenketel. Gegeven de temperatuur van de afgassen van een gasturbine (circa 500°C) is de temperatuur van de rookgassen ná de stoomketel veelal 150°C of meer. Uiteraard is deze temperatuur nog afhankelijk van de stoomdrukken, de aanwezigheid van een economizer, de mate waarin het condensaat retour komt en de temperatuur van dit condensaat. Bij


[ 50 ]

echt grootschalige stoomproductie in een STEG (stoom- en gasturbine) met een aftap- of tegendruk stoomturbine, zijn de rookgastemperaturen weer lager. Wij zijn daarom vooral geïnteresseerd in middelgrote stoomproducenten welke te klein zijn om te investeren in een STEG en te groot om met alleen een direct gestookte stoomketel te werken. De configuratie gasturbine met afgassenketel treffen wij in Nederland buiten de papierindustrie aan in de voedings- en genotmiddelenindustrie (onder andere Heineken en Unilever). Veiligheidshalve gaan we uit van een marktpotentie in Nederland van 20 stuks in de rookgaskanalen. Mondiaal gezien kunnen wij derhalve spreken van meerdere honderden. Indien wij echter ook andere industriële reststromen in acht nemen is de potentie nog veel groter. Op basis van onze huidige, conservatieve schattingen verwachten wij derhalve dat de marktpotentie mondiaal circa 300 eenheden à 100 kWe zal zijn. Stel dat de marktpenetratie 25% zal zijn, dan bedraagt het aantal af te zetten eenheden 75 stuks. Per KWe bedraagt de investering in een TAP ongeveer € 3.000,=. De verwachte omzet bedraagt dan ongeveer: € 22 miljoen. Bij een winstmarge van 10% bedraagt de winstpotentie in Nederland € 2,2 miljoen. Ook indien deze cijfers lager uit zullen vallen, blijft de winstpotentie van de TAP interessant genoeg.


[ 51 ]

6

Marktintroductie

Aster, Innoforte en Huisman Elektrotechniek werken momenteel aan een businessplan. Hierin is veel aandacht voor de kansen en de risico‟s bij de verdere ontwikkeling, engineering, productie, marketing en verkoop van de TAP. De eigen competenties van de huidige partners vormen daarbij het uitgangspunt. Waar nodig zal daarom worden samengewerkt met derden. De selectie van de partners en de wijze van samenwerking wordt momenteel onderzocht. Vooralsnog is de rolverdeling van de huidige partners als volgt:  Aster Thermoakoestische Systemen: kennis thermo-akoestiek, ontwikkeling, optimalisatie  Huisman Elektrotechniek: regeltechniek, netinpassing,  Innoforte: haalbaarheidsstudies, technisch/economische inpassing bij industrie. Bepaling marktpotentie en ondersteuning van de marktontwikkeling per PMC  Partner A: productie, montage, inbedrijf stellen;  Partner B (mag ook gecombineer met partner A): internationale verkoop Wij verwachten op basis van de aan te tonen werking van de TAP, het daarbij gerealiseerde rendement en ons businessplan nieuwe partners en investeerders te kunnen aantrekken. Desgevraagd zullen wij dit businessplan eind juli aanbieden ter onderbouwing van de aanvraag voor SBIR fase 2.


[ 52 ]

Bijlage A gemaakte ontwerpkeuzes bij 1MW indirecte TAP In het algemeen neemt de beschikbare hoeveelheid restwarmte, en daarmee het aantal potentiële toepassingen voor de TAP, sterk toe met afnemende temperatuur. Leidend bij het ontwerp is dan ook het realiseren van een zo laag mogelijke werktemperatuur van de thermoakoestische energie converter (TAEC). Dimensionering van het thermoakoestisch systeem De afmetingen van een thermoakoestisch systeem worden direct bepaald door gassoort, gemiddelde (vul)druk, thermisch ingangsvermogens , temperaturen en werkfrequentie. In dit hoofdstuk wordt e.a. verder toegelicht. Vermogens In een thermoakoestisch systeem zijn thermisch (Q) en akoestisch vermogen (Pac) direct aan elkaar gerelateerd en liggen daarbij in dezelfde orde van grootte14. Besturing van het thermoakoestische proces (druk,snelheid en fase) en energietransport tussen motor deel (TAEC) en alternator vindt plaats middels akoestische golven. De maximale akoestische energiedichtheid15 in een golfgeleider (buis) treedt op voor een lopende golf waarvoor geldt

A0 p a2 Pac  . 2  .c met A0 de buisdoorsnede, pa de drukamplitude en  en c respectievelijk de dichtheid en geluidsnelheid van het gas. Dit is grafisch weergegeven in figuur A.1 

Figuur A.1 Verband tussen gemiddelde druk en de maximale vermogensdichtheid (lopende golf) bij 5% drukamplitude voor drie veel gebruikte werkgassen.

14

Voor een ideale TAEC geldt dat Q = Pac. Akoestisch vermogen is onafhankelijk van de frequentie. De frequentie heeft alleen invloed op de akoestische verliezen aan de buiswand (wandoppervlak en grenslaag). 15


[ 53 ]

Voor de efficiëntie van het thermoakoestisch proces maakt de gassoort in principe niet uit maar helium geeft bij gelijke gemiddelde druk en drukamplitude de grootste vermogensdichtheid. Temperaturen Elk thermodynamisch kringproces werkt tussen twee temperaturen. Behalve de (aanvoer)temperatuur (Thoog) van de restwarmte is daarom ook de temperatuur waarbij warmte van de TA motor kan worden afgevoerd (Tlaag) bepalend. Het theoretisch maximale conversierendement wordt hierbij gegeven door de Carnotfactor

C 

Thoog  Tlaag Thoog

Om een door de toepassing opgelegd temperatuurverschil zo goed mogelijk te kunnen benutten moet de aanvangstemperatuur van de TA motor zo laag mogelijk zijn. Deze aanvangstemperatuur is de temperatuur waarbij het (klein signaal) uitgangsvermogen van de thermoakoestische motor gelijk aan de interne akoestische verliezen. Bij het toevoeren van warmte boven deze temperatuur neemt het uitgangsvermogen van de motor toe en wordt netto uitgangsvermogen geleverd. De akoestische vermogensversterking (als gevolg van het thermodynamisch kring proces) in de regenerator unit is gelijk aan de verhouding van de absolute temperaturen. Bij aandrijftemperaturen boven 300C is deze versterking in de orde van 2 en voldoende om de interne (akoestische) verliezen te compenseren en om nuttig uitgangsvermogen te leveren [ 1,2,3]. Om bij lagere aandrijftemperaturen voldoende versterking te bereiken moeten meerdere TAEC‟s in serie worden geplaatst. Dit verlaagt zowel de aanvangstemperatuur als het vermogen in de terugkoppeling (minder dissipatie). In de gebruikelijke configuraties [1,2] in combinatie met een staande golf resonator is het niet mogelijk in meer dan twee TAEC‟s of regeneratorunits de optimale impedantie en timing te realiseren. In 2008 is een begin gemaakt met het ontwikkelen van alternatieve akoestische terugkoppel en resonantiesystemen [4] waarin minder akoestisch verlies optreedt en waarmee in principe een onbeperkt aantal TAEC‟s in serie kan worden geschakeld. Dit is bereikt door een nieuwe strategie rond het aanpassen van de akoestische impedantie van alle afzonderlijke systeemdelen. Hierdoor vindt akoestische koppeling tussen de TAEC‟s plaats door middel van nagenoeg lopende akoestische golven. Simulatie laat zien dat het aanvangstemperatuurverschil afneemt van 105 K voor een enkele TAEC tot 52 K en 35 K voor respectievelijk 2 en 4 TAEC‟s. Bepalend voor de afmetingen van het akoestisch terugkoppel en resonantie circuit is de verhouding tussen uitgangs- en teruggekoppeld (resonator)


[ 54 ]

vermogen. Voor een 4-traps motor is de akoestische vermogensversterking voor T = 100 K ongeveer 1.90. Bij een gevraagd uitgangsvermogen van 100 kW is het teruggekoppeld vermogen aan de ingang van de regeneratorunit (enkele motor) dan gelijk aan 100 / (1.90-1) = 111 kW. Volgens F komt bij 10 bar helium, een drukamplitude van 50 kPa (5%) en een ingangsimpedantie gelijk aan .c (lopende golf) de minimale doorsnede van het terugkoppel circuit uit op ongeveer 111/750 = 0.15 m2 wat correspondeert met een buisdiameter van 0.44 m. Bij 7% drive ratio kan worden volstaan met 0.25 m buisdiameter. Om te voldoen aan het Helmholtz criterium (single mode progation) moet de totale akoestische golflengte tenminste 10 maal de diameter bedragen. Voor helium als werkgas komt dit overeen met een maximale werkfrequentie van ongeveer 250 Hz. Voor de TAP is gekozen voor 100 Hz zodat hier ruimschoots aan wordt voldaan. Om de invloed van stromingsweerstand the verminderen moet de impedantie in de regenerator worden ingesteld op 10-15 .c. Dit komt neer op een evenredige verlaging van de akoestische gassnelheid. Om daarbij dezelfde volumestroom ( = vermogen) te houden moet het doorstroomt oppervlak van de regeneratorwarmtewisselaar evenredig worden vergroot. Verliezen door de diameterverandering blijken gering zodat dit netto een aanzienlijke vermindering van de viskeuze verliezen oplevert . Een vergroot regeneratoroppervlak vergroot de statische warmtegeleiding maar bij lage werktemperaturen zoals in de TAP vormt dit geen echte beperking. Omdat temperatuurval over de warmtewisselaars direct ten koste gaat van de prestaties moet deze zo klein mogelijk worden gehouden. Voorlopige aanname is maximaal 10 K per warmtewisselaar. Dit betekent voor de in


[ 55 ]

Tabel 1 berekende vermogens een minimale thermische overdracht van 33 kW.K1 .m-2 Dit is een realistisch waarde voor standaard “louvred fin” warmtewisselaars [5]. Simulatie Voor het berekenen van de verschillende grootheden is gebruik gemaakt van de door Aster ontwikkelde simulatie software voor thermoakoestische systemen. Hieronder is een deel van de input file en berekende waarden weergegeven.


[ 56 ]

Tabel 1 Subset simulatie file 1 MW TAP % Parameter file TA8.m display('TA8_TAP_03, fluid-gas hex equal stage engine 8 x aluminimu-fin hex') %% set environmental variables freq=(50:150)'; P0=10e5; T0=293; dr=7; pa=0.01*dr*P0/sqrt(2); % All units connected to the same temperature T1=273+45; T2=273+145; GasType='He'; [Rho C0 Visc Cp y Wg Pr dv dh] = gas(GasType,300,P0,100); %% set acoustic parameters R_load=540*(P0./1e5); % load per stage att=0.001; % acoustic loss per meter

L_c=0; L_h=0;

% free space cold hex % free space hot hex

%% regenerator Areg=2; dA=Areg/A0; va=pa./(1*Z0*dA); Lreg=0.003; % gauze type 2 Dg=100e-6; Mesh=240e-6+Dg; Ds=160e-6; k=5; % W.m-1.K-1 %% heat exchangers % hot and cold hex (alu-fin) Dww_c=0.002; Lww_c=0.02; porww_c=0.6;

D0=0.25; A0=pi.*D0.^2./4; L=1.78; % set frequency L1=L/2; D1=D0; % 1/2 tube section input #1 L2=L; D2=D0; % tube #1 - #2 L3=L; D3=D0; % tube #2 - #3 L4=L; D4=D0; % tube #3 - #4 L5=L/2; D5=D0; % 1/2 tube section output #4 reg =

out =

R: 28.3092 Tt: 2.2124e-004 por: 0.7074 Nsheets: 19 Rww: [4.7221 5.8186] Ttww: [0.0129 0.0078] porww: [0.6000 0.6000]

freq: 100 S: 1.0020 Q: [-2.1109e+005 -1.2646e+005 -2.4868e+005 1.0244e+005 -3.3333e+005] Pac: [1.0641e+005 7.3540e+004 1.1771e+005 6.1898e+004] dP: [2.6400e+004 1.7389e+004 2.9644e+004 1.4303e+004]

Pout: 1.1947e+005 eff: [0.1169 0.4886]

In de simulatie wordt de regeneratortemperatuur gebruikt. Voor de warmtewisselaars wordt gerekend met een temperatuurval van 15 K Om inzicht te krijgen over het bruikbare werkgebied van de TAP zijn de systeemprestaties berekend als functie van de aandrijf (restwarmte) temperatuur bij een vaste warmteafvoer temperatuur van 30C. De drukamplitude is constant gehouden op 70 kPa door steeds de akoestische belasting (R_load) te verminderen. Het resultaat van deze berekening is gegeven in figuur A.2


[ 57 ]

Figuur A.2 Elektrisch uitgangsvermogen, thermisch en exergetisch rendement versus temperatuur van de beschikbare restwarmte.

De berekening voor de 1 MW TAP laat zien dat boven 75C het elektrisch uitgangsvermogen nagenoeg evenredig is met de temperatuur van de beschikbare restwarmte. Het thermisch rendement is uiteraard afhankelijk van de werktemperatuur (Carnotfactor) en bereikt bij 160C een waarde van bijna 12% (zie ook


[ 58 ]

Tabel 1) . Het berekend exergetisch rendement ligt over het gehele werkgebied ruim boven 40%. De afname van het exergetisch rendement boven 100C wordt veroorzaakt door de toenemende invloed van de statische warmtegeleiding door de regeneratoren en behuizing.


[ 59 ]

Conversie van akoestisch vermogen in elektriciteit De functie van de lineaire generator is het omzetten van het akoestisch vermogen in elektriciteit. Hierbij wordt de drukamplitude van de akoestische golf in de (ring)resonator door middel van een membraan omgezet in een periodiek verlopende kracht waarmee een spoel in een magneetveld wordt bewogen. Dit is in principe een omgekeerde elektrodynamische luidspreker waarbij door het bewegen van de conus in de spreekspoel een spanning wordt opgewekt. Het uitgangsvermogen en conversie rendement is vergelijkbaar met gewone (roterende) generatoren of elektromotoren, afhankelijk van de afmetingen en uitvoering oplopend van enkele mW tot tientallen kW bij een conversie rendement van 80-95 % Een lineaire generator kan zijn uitgevoerd met een bewegende spoel en vast opgestelde magneten of met bewegende magneten en een vaste spoel (anker). In beide gevallen kan dit anker door zijn massa kan niet zonder meer de akoestische golf frequentie volgen (20-100 Hz). Daarom wordt een (gas)veer toegevoegd. De stijfheid van deze veer wordt zodanig gekozen dat het geheel bij de akoestische frequentie in resonantie is. Door de periodieke beweging van het relatief zware anker ontstaat ook een periodieke reactie kracht op de behuizing. Om uitwendige trilling te voorkomen worden lineaire generatoren daarom gepaard ingezet en in tegenfase aangedreven. In de TAP wordt dit bereikt door per regenerator unit een lineaire generator toe te passen. Door de lopende golf in de ring resonator is op tegenover elkaar liggende posities de akoestische golf steeds in tegenfase. Voor het SBIR project “Thermoacoustic Power, omzetten van industriële restwarmte in elektriciteit” is onderzocht of en hoe de LDS trilmotoren (shakers) kunnen worden gebruikt als lineaire generator of alternator voor het omzetten van het (thermo) akoestisch vermogen in elektriciteit16. Door ABTronix.BV in Breda zijn een V201 en een V406 beschikbaar gesteld voor het uitvoeren verschillende metingen. Hieronder volgt een samenvatting. Metingen aan trilmotoren (shakers) Om de trilmotor als alternator te kunnen gebruiken wordt deze aan een membraan of conus gekoppeld. De periodieke drukvariatie van de akoestische golf wordt hierdoor omgezet in een kracht waarmee het anker van de trilmotor wordt bewogen. Van belang voor de toepassing als lineaire generator is de akoestische impedantie van het geheel en het conversierendement gedefinieerd als de verhouding tussen het elektrisch uitgangsvermogen en het door het membraan opgenomen akoestische vermogen.

16

Een lineare generator van CFIC/Qdrive wordt al toegepast als lineare generator [7]


[ 60 ]

Meetopstelling Voor aansturen van het membraan en het meten van de akoestische impedantie wordt een 1-port akoestische netwerk analyser (anwa) gebruikt [6]. Hiermee worden per frequentie de absolute waarde en de fase van de reflectie (r) gemeten waaruit vervolgens de (complexe) akoestische impedantie op het referentievlak en het opgenomen akoestisch vermogen kan worden bepaald. Dit is schematisch weergegeven in figuur A.3

Figuur A.3 Schematische weergave van de gebruikte meetopstelling

De conus is van een standaard 160 mm luidspreker waarvan de magneet is verwijderd. In de spreekspoel is een pvc schijf gelijmd met M4 schroefdraad. Door middel van een draadstang kan na uitlijning de conus worden gekoppeld met de te meten trilmotor. De praktische opstelling is weergegeven in figuur A.4

Figuur A.4 Praktische meetopstelling met de V201 en de V406

De te testen trilmotor is belast met een variabele weerstand (R) waarmee de akoestische belasting kan worden ingesteld. Het elektrisch uitgangsvermogen (Pe) is dan gelijk aan

Pe ( )  u( ) .i( ) 

u(2 ) R


[ 61 ]

Het verband tussen akoestische impedantie en de gemeten reflectie (r ) is

Z ( )   .c0 .

1  r( ) 1  r( )

met  de soortelijke massa en c0 de geluidsnelheid van het gas (in dit geval lucht) Het akoestisch vermogen is dan

Pac ( )

 pa2( )    A0 . Re  Z   ( ) 

met A0 de referentiediameter van de anwa (103 mm). Het akoestisch-elektrisch conversierendement is vervolgens gelijk aan

 ( ) 

Pe ( ) Pac( )

Resultaten Het gemeten resultaat is vergelijkbaar voor beide typen shakers. Het conversierendement blijkt afhankelijk van de belastingsweerstand (R) en heeft een optimum rond 4 . Dit optimum kan worden verklaard uit het feit dat voor hoge waarden van R het elektrisch uitgangsvermogen klein is terwijl er wel akoestische vermogen wordt opgenomen door het (niet ideale) membraan en door uitstraling naar de open ruimte. Voor kleine waarden van R domineert de inwendige weerstand van de trilmotor (1.7) waardoor het rendement afneemt.


[ 62 ]

Figuur A. 5 Gemeten verhouding tussen elektrisch uitgangsvermogen en akoestisch opgenomen vermogen voor de V406. voor verschillende waarden van de elektrische belasting (R) .

Voor de gemeten combinatie van trilmotor en conus ligt het maximum rendement van 86% bij 50 Hz. De positie van dit maximum kan worden verschoven naar bijvoorbeeld 100 Hz door het aanpassen van de (gas)veerconstante. Conclusies Het blijkt dat commercieel verkrijgbare “shakers” of trilmotoren kunnen worden gebruikt als lineaire generator en dat een akoestisch-elektrisch conversierendement van > 85% mogelijk is. Van belang hierbij is dat het membraan qua constructie en stijfheid is aangepast aan de (bewegende) massa van de trilmotor om extra akoestisch verlies te voorkomen. Verder moet om de invloed van de inwendige weerstand te beperken bij de ontwerpfrequentie de uitslag, c,q de snelheid van het bewegend anker op maximum waarde worden ingesteld. De (resonantie)frequentie waarbij het maximum conversie rendement wordt bereik kan worden ingesteld door middel van de massa en (gas)veerconstante van de generator. Referenties 1

Backhaus, S. and G. W. Swift: A thermoacoustic-Stirling heat engine: Detailed study. Journal of the Acoustical Society of America, 2000. 107(6): p. 3148-3166.

2

G.W. Swift, “Thermoacoustic natural gasliquifier”. Proceedings of the DOE natural gas conference, Houston TX, March 1997.

3

S. Backhaus, E. Tward, and M. Petach, "Thermoacoustic power systems for space applications," Space Technology and Applications International Forum (STAIF-2002). February, 2002. Albuquerque, New Mexico. AIP Conference Proceedings 2002 608, 939-944. Edited by M. S. El Genk.


[ 63 ]

4

C.M. de Blok, “Low operating temperature integral thermoacoustic devices for solar cooling and waste heat recovery” Presentatie en proceedings Acoustics‟08, Parijs, 28 juni – 4 juli 2008.

5

J. E. Hesselgreaves, “Compact Heat Exchangers”. Pergamon press (Elsevier) ISBN 0080428398

6

C.M. de Blok and R.F.M. van den Brink. "Direct-Reading One-Port Acoustic Network Analyzer". J.Audio Eng Soc. Vol 41, No 4, april, 1993, 231 - 238.

7

"Traveling-wave thermoacoustic electric generator," S. Backhaus, E. Tward, and M. Petach, Applied Physics Letters 85, 1085-1087 (2004).


[ 64 ]

Bijlage B De gas-gas warmtewisselaar (directe TAP)

Deze beknopte analyse is afgegeven door Bronswerk Heat Transer op basis van hun “flex plate” warmtewisselaars Globaal ontwerp rookgaswarmtewisselaar voor TAP Uitgangspunten:  Breedte van de wisselaar ( is gelijk aan de lengte, gezien in de bewegingsrichting van het helium) is 150 mm.  Plaatdikte < 0.3 mm; gaan we uit van 0.3 mm.  dP aan rookgaszijde: <<500 Pa  verhouding L/B is max 2/1 Na een reken ronde op basis van H * L = 1.6 * 1.6 meter blijkt het apparaat veel te klein, en het drukverlies veel te hoog. Voor de volgende ronde wordt H = 3 m en L = 2 m. Neem de hoogte van elke Flexplate is 10 mm uitwendig, waarbij door op een intelligente manier te stapelen ook de effectieve hoogte 10 mm kan worden. In 3 meter hoogte kunnen dan 300 flexplates worden geplaatst. Het oppervlak per Flexplate is 2 * 0.15 * 2 = 0.6 m2. 300 platen leveren dus 180 m2 koeloppervlak. Per (kwart) warmtewisselaar is Q is 250 kW. Het locale temperatuurverschil tussen gas en plaat is 10K (afspraak) De HTC van rookgas naar plaatmateriaal zal met moeite 50 W/m2.K kunnen worden. Het benodigd VO is daarmee: 205 / (10 * 50 * 10-3) = 500 m2. Dat is nog steeds een enorm verschil tussen benodigd en geïnstalleerd; er is 2.8 maal zoveel oppervlak nodig! Stel de L = 3 meter, dan zijn nog (2.8/1.5) * 300 = 560 platen nodig. Als de totale hoogte 4 meter wordt, dan is de hoogte per Flexplate is 7 mm uitwendig, Is 6.4 mm inwendig. De netto doorstroom hoogte aan rookgaszijde is: 4000 – 560 * 2 * 0.3 = 3.6 m. De breedte is 0.15 m, geeft een opp van 0.54 m2, Zodat de snelheid is ca 5.65 / 0.54 = 10.5 m/s. Volgens bijgaand TASC uitdraai is HTC lager dan 50, maar door de dimples is de “verwachting” dat 50 W/m2.K gehaald zal worden. Elke warmtewisselaar heeft 560 Flexplates van 0.15 * 3 m, en bestaat uit 2 platen, elk van 0.3 mm dikte. Totaal gewicht is 560 * 2 * 0.15 * 3 * 0.3 * 7.8 = 1200 kg. Dit is het netto gewicht voor het warmteoverdragend oppervlak; hier komt nog gewicht bij voor manifolds, kanalen en ondersteuningen.


[ 65 ]

Samenvattend per 250 kW warmtewisselaar:  Aanstroomoppervlak aan helium zijde: 3 x 4 meter,  Aanstroomoppervlak aan rookgaszijde: 4 x 0.15 meter,  Totaal warmteoverdragend oppervlak: 500 m2,  Totaal netto gewicht warmteoverdragend oppervlak 1200 kg,  Geschat drukverlies aan rookgaszijde: 250 – 300 Pa, Geschatte prijs voor 4 rookgaswarmtewisselaars, inclusief rookgas manifolds, exclusief kanalen is € 220.000,= exclusief BTW.


[ 66 ]

Bijlage C Papierfabriek A


[ 67 ]


[ 68 ]

Bijlage D Papierfabriek B


[ 69 ]

Bijlage E Papierfabriek C voorgeschakelde TAP


[ 70 ]


[ 71 ]

Bijlage F Papierfabriek C nageschakelde TAP


[ 72 ]


[ 73 ]

Bijlage G Papierfabriek D


[ 74 ]


[ 75 ]

Thermo Acoustic Power (TAP) van industriële restwarmte naar elektriciteit. SBIR fase 1 haalbaarheidsstudie

Recommend Documents