CO 2 -REDUCTIE Koude en luchtbehandeling RCC
René (R.J.M.) van Gerwen Global Lead Engineer Refrigeration & HVAC Unilever Engineering Services
Halveren BKG’s doel van duurzaamheidsplan Unilever Unilever, een van de grootste producenten van consumptiegoederen in de wereld, is ook een van de grootste eindgebruikers van industriële koeltechniek. Eind 2010 maakte Unilever het Sustainable Living Plan openbaar, een ambitieus duurzaamheidsplan om de onderneming aanzienlijk te laten groeien en er tegelijk voor te zorgen dat deze groei niet ten koste van de in de wereld afnemende natuurlijke hulpbronnen zou gaan. Het doel is om de impact op water, afval en broeikasgassen (BKG's) te halveren gedurende de levenscyclus van de producten. Een duurzaamheidsstrategie, met een focus op het ontwerpproces voor de nieuwe 'groene' fabrieken, moet zowel het broeikasgas als het energiegebruik verminderen (Sarstedt, 2010). In dit opzicht is het belangrijk om te begrijpen dat energievraag en -gebruik van een fabriek (elektriciteit, gas, brandstof) relatief eenvoudig te berekenen zijn, en onder directe invloed van de fabriek staan. Dit in tegenstelling tot de uitstoot van broeikasgassen, waarvan de berekeningswijze is gerelateerd aan de manier waarop de elektriciteit is opgewekt en gekocht. Het is belangrijk ervoor te zorgen dat in de aanpak van vermindering van broeikasgassen de
juiste verbeteringshiërarchie wordt gevolgd. Figuur 1 toont de te volgen aanpak voor de minimalisatie van de uitstoot van broeikasgassen. De volgende stappen moeten worden uitgevoerd in de juiste volgorde. 1. Het uitgangspunt is het minimaliseren van de vraag naar verlichting, verwarming, koeling, stoom, perslucht; minimaliseren van alle soorten van verliezen; het maximaliseren van de efficiëntie van alle apparatuur, en het gebruik van eco-efficiënte technologie. 2. Optimaliseer op de locatie de mogelijkheden voor toepassing
Figuur 1. Verbeteringshiërarchie voor het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen.
van hernieuwbare (of duurzame) energie. 3. Koop energie in uit ‘groene’ bronnen. Dit kan de uitstoot van broeikasgassen aanzienlijk verminderen of zelfs elimineren. Zorgen voor langere termijn (economische) haalbaarheid van deze groene energie aankoop is een belangrijk aspect. Aankoop van groene energie mag nooit worden gebruikt als rechtvaardiging voor het vermijden van investeringen in de stappen 1 en 2. 4. Verminder de uitstoot van broeikasgassen. Gecombineerde opwekking van warmte en elektriciteit (WKK) kan aanzienlijke kosten-, energieen milieu- (BKG) voordelen bieden ten opzichte van alleen elektrische en alleen thermische systemen. Lokale generatie vermijdt ook transmissie- en distributieverliezen, die wel voorkomen bij elektriciteit ingekocht via het openbare net van centrale krachtstations. Trigeneratie kan de productie van broeikasgassen nog verder beperken door WKK met thermisch aangedreven absorptie- of adsorptiekoelsystemen te combineren (Ezzahiri et al., 2009). De warmtepomp, als een alternatief voor verwarming door het verbranden van brandstof, is een andere technologie voor het verminderen van de uitstoot van broeikasgassen. WKK, trigeneratie en warmtepompen zijn niet te beschouwen als ‘volledige groene energie', maar kunnen worden aangemerkt als CO₂-arme energieomzettingen, omdat ze thermische en elektrische energie efficiënt gebruiken. 5. CO2-uitstootcompensatie. Het aankopen van compenserende
104 e JAARGANG SEPTEMBER 2011
65
CO 2 -REDUCTIE RCC Koude en luchtbehandeling
CO₂-certificaten kan alleen in uitzonderlijke omstandigheden, na het voltooien van de stappen 1 tot 4, een verantwoorde maatregel zijn. Deze hiërarchie vormt het hart van de implementatiestrategie om de carbon footprint-reductiedoelen te halen.
Energie- en broeikasgasbenchmarking Energie-benchmarking is een bekende techniek voor de identificering, de rangschikking en controle van de huidige status, verbeteringsmogelijkheden van trends en resultaatverbetering. Benchmarking kan cross-sectional (huidig) en longitudinal (historisch) gedaan worden (Mills E, 2010). Figuur 2 en tabel 1 tonen de resultaten van deze analyse van data over een volledig jaar. Geconcludeerd kan worden dat de spreiding in het gemiddeld verbruik te groot is om dit als benchmark te gebruiken. Om meer bruikbare benchmarks te definiëren, werd een andere benadering gevolgd. Het jaarlijkse elektriciteitsverbruik van fabrieken binnen een productcategorie werd uitgezet tegen het jaarlijkse productievolume en geanalyseerd (in
dit geval, productcategorie ijs als voorbeeld). Figuur 3 toont de grafische resultaten van een steekproef van 29 fabrieken. Deze grafiek toont aan dat het jaarlijks elektriciteitsverbruik redelijk proportioneel is met het jaarlijks productievolume (gebaseerd op de hoge waarde van de determinatiecoëfficiënt R²). Berekeningen met niet-lineaire regressielijnen leiden tot een lagere determinatiecoëfficient dus deze proportionele relatie is de meest correcte. De interceptie van de regressielijn is een waardevolle kwantificering van de gemiddelde stationaire consumptie (de waarde op de verticale as geeft de
gemiddelde hoeveelheid elektriciteit die nodig is zonder enige productieomvang; in dit geval is dat 12.320 GJ per jaar). Deze proportionaliteit en de interceptie zijn waardevolle resultaten van deze analyse, maar de bandbreedte van de individuele data rond de regressielijn is veel te groot om het gebruik van de regressielijn als een nauwkeurige benchmark te rechtvaardigen. Diepere analyses bevestigen ook dat de ‘stadia van energie-efficiëntie’ van individuele locaties nauwelijks samenhangen met de specifieke elektriciteitsgebruikswaarden. De hierboven uitgelegde bench-
Figuur 2. Energie en CO2uitstoot per ton (1000 kg.) productie per jaar (GJ/ (ton.jaar) resp. kg/(ton. jaar) voor dertig ijs- en zeventien snacks-fabrieken, data van een volledig jaar.
Klimatisering van XS tot XXL.
KASTSYSTEMEN 66
MAART 2011 104 e JAARGANG
STROOMVERDELING
KLIMATISERING
CO 2 -REDUCTIE Koude en luchtbehandeling RCC
Tabel 1. Energie en CO2-uitstoot per ton (1000 kg) productie per jaar (GJ/(ton.jaar) resp. kg/(ton.jaar) voor dertig ijs- en zeventien snacks-fabrieken, data van een volledig jaar.
mark-studies zijn allemaal gerelateerd aan het totale energiegebruik en elektriciteitsverbruik. Bij het bestuderen van benchmarkmogelijkheden voor koelsystemen rijst een extra complicatie. Het elektriciteitsverbruik van het koelsysteem wordt namelijk in de meeste fabrieken niet gemeten en afzonderlijk opgenomen. Naspeuringen in de gedetailleerde gegevens van sommige ijsfabrieken waar wel gedetailleerde opname van energiegebruik plaatsvindt, resulteerde in een gemiddeld aan-
Figuur 3. Lineaire regressielijn voor het jaarlijks elektriciteitsverbruik van de individuele ijsfabrieken, als functie van hun jaarlijks productievolume.
deel van 40 tot 50 procent van het totale elektriciteitsverbruik door de koelcompressoren. Indien alle ventilatoren, pompen en regelingen zijn inbegrepen, ook die in de geconditioneerde ruimten en op de productielijnen, stijgt het aandeel tot een gemiddelde van 55 tot 65 procent. De verschillen tussen afzonderlijke locaties zijn echter groot en onafhankelijk van het ‘stadium van energie-efficiëntie’ van de energiebesparing van een afzonderlijke locatie. Alle studies over benchmarking,
IT-INFRASTRUCTUUR
uitgelegd in dit artikel, kom en tot de conclusie dat het niet verstandig is om doelstellingen en strategieën ter verbetering van energie- en CO₂-reductie te baseren op eenvoudige benchmarkcijfers over energie, elektriciteit of CO₂gebruik per ton van de productie. De reden hiervoor is dat er te veel verschillen zijn tussen individuele fabrieken.
Verbeterpunten Besloten is om geen benchmarks te gebruiken als enige uitgangs-
SOFTWARE & SERVICE www.rittal.nl
104 e JAARGANG MAART 2011
67
CO 2 -REDUCTIE Koude en luchtbehandeling RCC
Tabel 2.
punt voor verbetering, maar om gedetailleerde verbeterpunten te gebruiken als het belangrijkste uitgangspunt. Een uitgebreide lijst van verbeterpunten is vastgesteld, en gebruikt om verbeteringen in de productielocaties systematisch aan te pakken. Tabel 2 geeft een samenvatting van de verbeterpunten voor energie en broeikasgassen per locatie. Voor elk van deze verbeterpunten zijn gedetailleerde onderverdelingen gemaakt, waarvan elk element kan scoren op een schaal van vier ‘stadia van energie-efficiëntie’, zie tabel 3. De elementen van de verbeterpunten voor industriële koeling zijn samengevat in tabel 4.
Tabel 3. Vier stadia van energie-efficiëntie.
gebieden en moeten top-down worden geïmplementeerd, waarbij rekening moet worden gehouden met de eerder genoemde verbeteringshiërarchie. Het gemeten of geschatte elektriciteitsverbruik Meting is essentieel voor het controleren en bepalen van het elektriciteitsverbruik. Op zijn minst moet het elektriciteitsverbruik voor alle compressoren worden gemeten. Er zijn geavanceerde automatische controle & registratiesystemen op de markt die helpen bij het realiseren van kosteneffectieve verbeteringen. Helaas is het in de meeste industriële koelsystemen niet mogelijk om het door het systeem geleverde koelvermogen te meten.
Details verbeterpunten De lijst van verbeterpunten omvat alle mogelijke verbeterings-
Minimaliseer de koellast Dit is de belangrijkste stap waarmee
in de meeste gevallen significante en kosteneffectieve besparingen kunnen worden verkregen. Relatief eenvoudige maatregelen, zoals het verbeteren van de thermische isolatie of het minimaliseren van de luchtlekken, kunnen leiden tot aanzienlijke en kosteneffectieve energiebesparingen op bijna alle locaties. Groot verbeterpotentieel zit er in het optimaliseren en integreren van productieprocessen, maar daarvoor is samenwerking tussen verschillende specialisten en functies in de productie nodig. Efficiëntie van het koelproces Dit is ook een gebied waar een aanzienlijke verbetering kan worden verkregen op bijna elke locatie. Efficiënte werking van compressoren, bepalen van compressorconditie, het minimaliseren van koudemiddeldrukverliezen (bijv.
Tabel 4. Elementen van de verbeterpunten voor industriële koeling met vier stadia van energie-efficiëntie.
104 e JAARGANG SEPTEMBER 2011
69
CO 2 -REDUCTIE RCC Koude en luchtbehandeling
in natte zuigleidingen), geoptimaliseerd draaien van ventilatoren en pompen (ventilator- en pompgrootte, toerenregelingen), hoogrendement elektrische motoren.
60 K moet een tweetrapssysteem gebruikt worden (het temperatuurverschil = het verschil tussen verdampings-en condensatietemperatuur).
Verlaag de condensatietemperatuur/druk Door slim ontwerpen, dimensioneren en vooral regelen van de condensors, afhankelijk van de omgevingscondities (natte bol temperatuur in het geval van verdampingscondensors). Als bepaalde componenten het verder reduceren van de condensatiedruk beperken (bijv. heetgasontdooiing, thermostatische expansieventielen), moeten deze knelpunten worden weggenomen. Een vuistregel is dat één K lagere condensatietemperatuur, twee procent van het elektriciteitsverbruik van de hogedruk compressoren bespaart.
Warmteterugwinning uit de koelinstallatie Het gebruiken van de warmte van het oliekoelsysteem van de compressor en het oververhitte persgas om water te verwarmen voor gebruik op de locatie, leidt tot aanzienlijke besparingen. In die gevallen waarin koeling en warmte niet gelijktijdig nodig zijn, kan het bufferen van heet/warm water het warmteterugwinsysteem verder optimaliseren.
Verhoog de verdampingstemperatuur/druk Een vuistregel is dat één K hogere verdampingstemperatuur drie procent op het elektriciteitverbruik bespaart. Het minimaliseren van de delta T(temperatuurverschil) tussen proces/product en het verdampende koudemiddel, het optimaliseren van productieprocessen en het vermijden van het gebruik van zuigdrukregelaars kunnen hiertoe bijdragen. Compressorcapaciteitsregeling De meeste typen compressoren, in het bijzonder schroefcompressoren, hebben bij gebruik van een capaciteitsregelschuif zeer lage deellastrendementen. Besturings en regelsystemen die ervoor zorgen dat de compressoren alleen draaien op vollast (aan/uit), of het gebruik van toerenregeling op de compressormotoren, leiden tot aanzienlijke besparingen. Meertrapssysteem en economiser Alle industriële ammoniakkoelinstallaties met een temperatuurverschil boven de 30 K zouden compressoren met economisers moeten gebruiken, en boven de
70
SEPTEMBER 2011 104 e JAARGANG
Condensorwarmte opwaardering Warmte uit de condensor van de koelinstallatie kan worden gebruikt om een warmtepomp aan te drijven die warm/heet water levert voor gebruik op de locatie. Als de warmtebron van de warmtepomp een relatief hoge temperatuur (20 - 35°C) heeft, dan is de COP van de warmtepomp aanzienlijk hoger dan die van een warmtepomp die gebruik maakt van conventionele warmtebronnen. Trigeneratie Thermisch aangedreven koeling, met name ammoniak/water absorptiesystemen, aangedreven door de warmte van een warmtekrachtkoppeling (WKK), kan soms een aantrekkelijke optie zijn. Met name in die gevallen waar sprake is van een overschot aan afval of teruggewonnen warmte op de locatie, die te groot is voor een effectief gebruik voor andere processen, kan trigeneratie fungeren als een balansmechanisme tussen warmte en kracht. Dit omdat warmte in koude kan worden omgezet, in plaats van elektriciteit in koude, zoals met conventionele koeling gebeurt. Vanuit een economisch standpunt kan trigeneratie ook helpen bij het optimaliseren van de totale energieverzorging, afhankelijk van de fluctuerende prijsverschillen tussen elektriciteit en brandstof/gas.
Alvorens te beslissen over dit soort geavanceerde verbeteringsopties, moeten gedetailleerde haalbaarheidsstudies uitgevoerd worden. Verdere mogelijke verbetering is mogelijk door de combinatie met zonnewarmte voor het aandrijven van het absorptiesysteem (Ezzahiri et al., 2009).
De implementatie van verbeterpunten De feitelijke situatie op alle afzonderlijke fabrieken is beoordeeld door de status van alle verbeterpunten te waarderen aan de hand van de vier stadia van energie-efficiëntie. Op basis van de uitkomsten van deze evaluaties worden locatiespecifieke verbeteringsplannen gedefinieerd en geïmplementeerd. De gerealiseerde verbeteringen worden continu gemeten en vergeleken met de algemene doelstellingen.
Samenvatting Unilever lanceerde zijn Sustainable Living Plan aan het eind van 2010. Dit plan is gericht op het verdubbelen van de groei van het bedrijf, waarbij het gebruik van water, afval en de emissie van broeikasgassen (BKG) halveert gedurende de levenscyclus van de producten. Productiebedrijven vertegenwoordigen slechts drie procent van de broeikasgas footprint, maar Unilever is daar direct verantwoordelijk voor. Voor de carbon footprint van de productie is daarom een uitgebreid implementatieplan ontwikkeld, met inbegrip van concepten voor nieuwe 'groene' fabrieken en productielijnen, productieprocesverbeteringen, het gebruik van hernieuwbare energie en verbeteringen in de bestaande fabrieken. Voor opwekking van koude en beperking van de uitstoot van broeikasgassen zijn tien verbeterpunten geïdentificeerd, en is het besparingspotentieel gekwantificeerd.
