Energie-efficiëntieverbetering bij koffiebranders

Energie-efficiëntieverbetering bij koffiebranders Energie-efficiëntie verbeteren binnen het koffiebrandproces via drie stappen

Aanleiding In deze studie is de energiebesparing bij koffiebrandmachines onderzocht. Wat is er mogelijk en wat levert dat op?

Aanpak Adviesbureau Innoforte heeft een stappenplan opgesteld volgens de “Trias Thermodynamica”. Het onderzoek richt zich op de mogelijkheden voor energiebesparing van koffiebrandmachines. Er zijn drie opeenvolgende stappen gedefinieerd. De eerste stap richt zich op het beperken van de energievraag van het koffiebrandproces. De tweede stap is het omzetten van de restwarmte uit het koffiebrandproces in bruikbare energie. Tot slot kan een koffiebrander de dan nog overgebleven restwarmte leveren aan andere bedrijven in de directe omgeving. De eerste twee stappen zijn uitgebreid onderzocht aan de hand van een referentiesituatie. Hierbij is gekozen voor een koffiebrandproces met warmteterugwinning via (gedeeltelijke) recirculatie van de warmtelucht. De derde stap (restwarmte naar de ‘buren’) is niet verder uitgewerkt omdat er geen of onvoldoende restwarmte overblijft na het voorverwarmen van de koffiebonen en het gebruik voor ruimteverwarming.

Conclusie Er zijn verschillende mogelijkheden voor energiebesparing. Stap 1: beperken van de energievraag koffiebrandproces Het beter isoleren van de koffiebrandmachine en het voorverwarmen van de koffiebonen zijn bedrijfseconomisch interessant. Door een capaciteitsverhoging van 20 procent is het voorverwarmen van de koffiebonen, naast de energiebesparing, bedrijfseconomisch interessant. Het toepassen van een energiezuinigere naverbranding is bedrijfseconomisch niet aantrekkelijk ondanks de energiebesparing. Het gebruik van thermische oxidatie blijkt vanwege de hoge investeringen bedrijfseconomisch onaantrekkelijk ondanks de hoge energiebesparing die wordt bereikt. Stap 2: omzetten van restwarmte uit het koffiebrand­ proces in bruikbare energie Alle onderzochte installaties besparen energie. Economisch is restwarmte voor ruimteverwarming zowel energetisch als bedrijfseconomisch interessant.

Karakteristieken van de studie Stap 1: beperken van de energievraag koffiebrandproces Er zijn verschillende mogelijke configuraties en opties om de energievraag te beperken in het koffiebrandproces, zoals een koffiebrander met recirculatie zonder naverbrander of een koffiebrandinstallatie met recirculatie en katalytische naverbranding op een hoge temperatuur. Er zijn meer dan vijf typen koffiebranders bekeken in combinatie met drie opties 1) het voorwarmen van groene bonen, 2) voorverwarming door de branderlucht en 3) isolatie waarbij gekeken is naar de variaties extra of standaard isolatie. Op die manier zijn er meer dan vijftig combinaties mogelijk. In dit onderzoek is uiteindelijk gekozen om vijf variaties verder onderzoeken. Andere variaties (in dit onderzoek verder genoemd configuraties) zijn niet verder uitgewerkt, omdat deze bijvoorbeeld vooral van toepassing zijn voor kleine en/of oudere koffiebrandmachines. Een koffiebrandinstallatie met recirculatie en katalytische naverbranding op een hoge temperatuur is gekozen als referentiesituatie. Deze situatie is configuratie C1 genoemd. Vervolgens zijn de overige vier configuraties (C3, C5, D1 en E1) uitgewerkt. Stap 2: omzetten van restwarmte uit het koffiebrand­ proces in bruikbare energie De mogelijke configuraties en opties zijn in onderstaande tabel weergegeven. Hierbij zijn configuraties 1a, 2a en 3 verder uitgewerkt. Configuratie

Omzetten in techniek

1a

Elektriciteit

ORC HT

1b

Elektriciteit

ORC LT

2a

koude

absorptie km HT

2b

koude

absorptie km LT

3

warmte

ruimteverwarming

Resultaten en conclusies Stap 1: beperken energievraag koffiebrandproces 1. Referentiesituatie: koffiebrandinstallatie met recirculatie en katalytische naverbranding op een hoge temperatuur (configuratie C1)

De afgassen (naar buiten) uit het koffiebrandproces worden naverbrand in verband met geuremissie. De afgassen hebben een temperatuur van circa 450°C. De afgassen die ontstaan tijdens het koelen van de gebrande koffiebonen met lucht, hebben een lagere temperatuur (gemiddeld 40°C). Hierdoor is in deze studie geen onderzoek gedaan naar het gebruik van deze restwarmte. Configuratie C1 is gekozen als de referentiesituatie. 2. Koffiebrandinstallatie met warmteterugwinning ten behoeve van de voorverwarming van de verbrandingslucht (configuratie C3)

De warme afgassen (na de katalytische naverbrander) worden gebruikt voor het voorverwarmen van de branderlucht van de koffiebrander en de katalytische naverbrander. De warmte wordt via een gescheiden kanaal, een warmtewisselaar en ventilator afgevoerd. Het koffiebrandproces wordt hierdoor niet beïnvloed. De branders zijn geschikt voor hogere luchttemperaturen (circa 250°C). • Voordelen: vermindering van het gasverbruik, reductie van CO2-emissie. • Nadelen: hogere onderhoudskosten, extra energiekosten voor de ventilator en de hogere investeringen (in speciale branders, kanalen, warmtewisselaar, ventilator, dakdoorvoer). 3. Koffiebrandinstallatie met warmteterugwinning voor de voorverwarming van de groene koffiebonen (configuratie C5)

De warme afgassen worden ingezet voor de voorverwarming van groene koffiebonen (tot circa 100°C). De uitkoppeling van de warmte vindt

2 | Energie-efficiëntieverbetering bij koffiebranders

plaats via een separaat kanaal, een ventilator en een regelinstallatie. Het koffiebrandproces (batchtijd) is korter omdat de koffiebonen in het koffiebrandproces eerder op de gewenste temperatuur zijn. • Voordelen: de capaciteitsverhoging van de koffiebrander, het verminderen van het gasverbruik en reductie van de CO2-emissie. • Nadelen: hogere onderhoudskosten, extra energiekosten voor de ventilator en de hogere investeringen (in kanalen, voorverwarming, ventilator en regeling). 4. Koffiebrandinstallatie met recirculatie en katalytische naverbranding op een lage temperatuur (configuratie D1)

De afgassen (naar buiten) die uit het koffiebrandproces via de katalytische naverbrander komen, worden op een lagere temperatuur van circa 320°C gebracht. De naverbrander is nodig in verband met geuremissie. • Voordeel: vermindering van het gasverbruik bij de katalytische naverbrander. • Nadeel: hogere investering voor een LT-katalysator (t.o.v. een HT-katalysator). 5. Koffiebrandinstallatie met recirculatie en thermische oxidatie van de afgassen (configuratie E1)

De afgassen (naar buiten) uit het koffiebrandproces worden via thermische oxidatie verwerkt in verband met geuremissie. Bij dit proces wordt bijna geen energie toegevoerd en de afgassen worden op een lage temperatuur (60°C tot 80°C) naar buiten afgevoerd. • Voordeel: minder gasverbruik. • Nadelen: hogere investeringen. Daarnaast is er een grote opstellingsruimte nodig voor thermische oxidatie proces, de warmtewisselaar en de schoorsteen.

Stap 2: omzetten restwarmte uit het koffiebrandproces in bruikbare energie De warmte wordt met behulp van een warmtewisselaar en ventilator uit de afgassen van het koffiebrandproces onttrokken. Het principe en de regeling zijn zodanig dat het koffiebrandproces niet wordt beïnvloed. Het omzetten van restwarmte in elektriciteit met een ORC op een hoge temperatuur (configuratie 1a)

Een Organic Rankine Cycle (ORC)-installatie wekt elektriciteit op met een turbine-installatie. In plaats van stoom wordt een organische stof gebruikt voor de turbineaandrijving. • Voordeel is dat de geproduceerde elektriciteit (nuttig) kan worden gebruikt voor het koffiebrandproces. • Nadelen: de hoge investeringen in relatie tot een laag elektrisch rendement. Het omzetten van restwarmte in koude met een tweetraps absorptiekoelmachine (configuratie 2a)

Een absorptiekoelmachine gebruikt warmte (heet water) en zet dit om in koude (gekoeld water). Het gekoelde water wordt gebruikt voor de koeling van de kantoren en de bedrijfshal met koelbehoefte (hal met inpakmachines). De absorptiekoelmachine is gedimensioneerd op levering van de basislast (maximale en continu bedrijf in de zomerperiode). • Voordeel: het energieverbruik van een absorptiekoelmachine lager is dan een conventionele (compressie)koelmachine (qua elektriciteit). • Nadeel: hogere investeringen. Het gebruiken van restwarmte voor de ruimte­ verwarming (configuratie 3)

De restwarmte wordt gebruikt voor ruimteverwarming van de kantoren en bedrijfshallen. De warmte (warmwater) wordt ingekoppeld in het ketelhuis (via een warmtewisselaar) in de centrale verwarmingsinstallatie. • Voordeel: de besparing van het aardgasverbruik van de cv-ketels. • Nadeel: extra investeringen.

3 | Energie-efficiëntieverbetering bij koffiebranders

Kengetallen van deze studie De uitgangspunten van dit onderzoek zijn: Elektriciteitstarief: Gastarief: Capaciteit koffiebrander: Bedrijfstijd koffiebrander: CO2 emissie gas: CO2 emissie elektriciteit:

0,09 €/kWh 0,34 €/m³ 2.550 kg/uur gebrande koffie 4.000 uur/jaar. 1,78 kg/m³ 0,489 kg/kWh

Kapitaalrente: Afschrijving: Onderhoud- en beheerkosten:

5 procent 15 – 25 jaar, afhankelijk van de levensduur 3 procent van de meerinvestering

De investeringen zijn gebaseerd op kentallen en offertes van verschillende leveranciers. Alleen de meerinvestering ten opzichte van de referentie­ situatie is in de vergelijking van de verschillende configuraties meegenomen.

Stap 1: beperken energievraag koffiebrandproces configuratie energie opbrengst extra koffieproductie energiekosten onderhoud & beheerkosten kapitaallasten CO2 besparing indicatie (meer) investering terugverdientijd (EVTV)

€/jaar €/jaar €/jaar €/jaar

C1 ref ref ref ref

C2 9.000 0 0 0

C3 18.000 0 2.000 8.000

C5 29.000 53.000 7.000 10.000

D1 11.000 0 2.000 0

E1 37.000 0 7.000 11.000

€/jaar % €

ref ref 0

5.000 6 69.000

24.000 11 250.000

22.000 15 317.000

12.000 6 122.000

62.000 20 767.000

jaar

n.v.t.

8

geen TVT

5

geen TVT

geen TVT

slecht config./optie omschrijving C1 Hoge temperatuur naverbranding C2 extra isolatie C3 branderlucht voorverwarming C5 groene bonen voorverwarming D1 Lage temperatuur naverbranding E1 Thermische oxidatie

kwaliteit

geur

minder inpasbaar

neutraal beoordelingsaspecten veiligheid

4 | Energie-efficiëntieverbetering bij koffiebranders

beter

energie

goed economie

productie

Stap 2: omzetten restwarmte uit het koffiebrandproces in bruikbare energie Uitgangspunt hierbij is de beschikbare restwarmte van de installatie volgens configuratie C1. Als de koffiebrandinstallatie is voorzien van energiebesparende maatregelen, dan zal er minder restwarmte beschikbaar zijn.

configuratie energie opbrengst energiekosten onderhoud & beheerkosten kapitaallasten CO2 besparing indicatie investering terugverdientijd (EVTV)

1a

1b

2a

2b

3

€/jaar €/jaar €/jaar

ORC HT 20.000 3.000 11.000

ORC LT 20.000 5.000 13.000

ABKM HT 4.000 1.000 6.000

ABKM LT 4.000 1.000 6.000

RV 58.000 3.000 8.000

€/jaar kg/jaar €

37.000 97.000 382.000

42.000 82.000 441.000

20.000 18.000 204.000

21.000 16.000 215.000

26.000 292.000 265.000

jaar

geen TVT

geen TVT

geen TVT

geen TVT

6

slecht config./optie 1a 1b 2a 2b 3

omschrijving ORC op een hoge temperatuur ORC op een lage temperatuur absorptiekoelmachine hoge temp. absorptiekoelmachine lage temp. ruimteverwaming

kwaliteit

geur

minder inpasbaar

neutraal beoordelingsaspecten veiligheid

energie

Routekaart 2011 Als jarenlange en actieve deelnemer aan het MJA-convenant startte de koffiesector met een routekaart Koffie. Een thema van deze routekaart is het ‘efficiënt branden van koffie’. Daarom zijn drie haalbaarheidstudies bij koffiebranderijen uitgevoerd, vastgelegd in vier aparte factsheets. De factsheets ‘Energie-efficiëntieverbetering bij koffiebranders’ behandelen het optimaliseren van het volledige brandproces. ‘Voorverwarmen van groene bonen’ en ‘Efficiënte geuremissie van het brandproces’ zijn onderdelen van dat volledige brandproces. Deze factsheet is tot stand gekomen in samenwerking met Innoforte, adviesbureau voor duurzame warmte en koude www.innoforte.nl

5 | Energie-efficiëntieverbetering bij koffiebranders

beter

goed economie

productie

Over het MJA-programma De meerjarenafspraken energie-efficiency (MJA’s) zijn overeen­ komsten tussen de ministeries van EL&I, IenM, Financiën, IPO, bedrijven en instellingen over het effectiever en efficiënter inzetten van energie.

Informatiepunt NL Energie en Klimaat (tussen 9:00 - 12:00 uur en 14:00 - 16:00 uur) Telefoon: (088) 602 9200 E-mail: [email protected] Internet: www.agentschapnl.nl/mja

Dit is een publicatie van: Agentschap NL NL Energie en Klimaat Croeselaan 15 Postbus 8242 | 3503 re Utrecht t 088 602 70 00 (receptie Utrecht) www.agentschapnl.nl/mja © Agentschap NL | november 2011 Publicatie-nr. 2MJAP1174 Hoewel deze publicatie met de grootst mogelijke zorg is samen­gesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aan­vaarden voor eventuele fouten. Agentschap NL is een agentschap van het ministerie van Economische Zaken, Landbouw en Innovatie. Agentschap NL voert beleid uit voor diverse ministeries als het gaat om duurzaamheid, innovatie en inter­nationaal. Agentschap NL is hét aanspreekpunt voor bedrijven, kennisinstellingen en overheden. Voor informatie en advies, financiering, netwerken en wet- en regelgeving. De divisie NL Energie en Klimaat versterkt de samenleving door te werken aan de energie- en klimaatoplossingen van de toekomst.