ECN-RX--04-103
November 2004
MARKTPOTENTIEEL VAN INNOVATIEVE WARMTEPOMPEN VOOR KOUDE IN DE NEDERLANDSE PROCESINDUSTRIE
S. Spoelstra (ECN) A.M.G. Pennartz (KWA Bedrijfadviseurs)
Verschenen in 'Koude & Luchtbehandeling', 97e jaargang, nr 9A - najaarseditie 2004, pp 28-30
SAMENVATTING Bij de ontwikkeling van energiebesparende innovatieve warmtepompen die als koelmachine kunnen worden toegepast is het van belang om al in een vroeg stadium de omvang van de markt af te schatten, alsmede het mogelijke besparingspotentieel. Publieke gegevens hieromtrent zijn niet bekend. Daarom is met subsidie van Senter een haalbaarheidsstudie uitgevoerd, waarin de koudebehoefte in de Nederlandse procesindustrie is geïnventariseerd en het besparingspotentieel van een tweetal innovatieve warmtepompconcepten is geëvalueerd. Uit de studie blijkt dat de energiebehoefte aan koude in de procesindustrie in het temperatuurtraject van –110 tot +15ºC circa 28 PJ per jaar bedraagt. De hiermee samenhangende primaire energiebehoefte bedraagt 27 PJ. Het energiebesparingpotentieel van de onderzochte innovatieve koelmachines bedraagt 4,4 PJ voor een restwarmtegedreven thermochemische koelmachine en 1,5 – 2,7 PJ (brander respectievelijk restwarmtegedreven) voor een thermo-akoestische koelmachine. Het economische perspectief van de innovatieve koelmachines is goed te noemen doordat het lagere energiegebruik tot een reductie van de operationele kosten van de koelmachines leidt.
SUMMARY For the development of innovative energy saving heat pump concepts for the production of cold it is of utmost importance to know the size of the market and the possible energy saving potential already at an early stage. There are no known public figures on this. Therefore, with funding by Senter a feasibility study has been carried out in which the use of cold in the Netherlands’ process industry has been estimated, as well as the energy saving potential of two innovative heat pump concepts. The use of cold in the processes in the temperature range -110 to +15 C is assessed as 28 PJ per year. The primary energy use associated with this production of cold amounts to 27 PJ per year. The energy saving potential of the new cooling machines investigated amounts to 4,4 PJ for a waste heat driven thermo chemical cooling machine and 1,5 - 2,7 PJ for a thermo acoustic cooling machine (gas fired and waste heat driven respectively). The economic prospects for these refrigeration machines look very good due to the fact that the reduced energy consumption leads to a strong reduction in operation costs.
2
ECN-RX--04-103
INHOUD SAMENVATTING
2
SUMMARY
2
LIJST VAN FIGUREN
4
1.
INLEIDING
5
2.
AANPAK
7
3.
ENERGIEGEBRUIK VOOR KOUDE
9
4.
ENERGIEBESPARINGSPOTENTIEEL VAN INNOVATIEVE WARMTEPOMPEN VOOR KOUDE
11
CONCLUSIES
13
5.
ECN-RX--04-103
3
LIJST VAN FIGUREN Figuur 3.1 Energiegebruik voor koude in de voedings- en genotmiddelenindustrie.................... 9 Figuur 3.2 Energiegebruik voor koude in de (petro) chemische en aardgasindustrie ............... 10 Figuur 4.1 Energiebesparingspotentieel van innovatieve koelmachines afhankelijk van de koude ......................................................................................................................... 11
4
ECN-RX--04-103
1.
INLEIDING
In een eerder artikel is gesproken over een tweetal innovatieve thermochemische en thermoakoestische warmtepompconcepten die bij ECN in ontwikkeling zijn en die toegepast kunnen worden als koelmachine en mogelijk tot besparingen zouden kunnen leiden. Onbekend is echter wat nu precies de omvang is van de koudebehoefte in de procesindustrie en wat het mogelijk besparingspotentieel is. De processen koelen en vriezen nemen in de procesindustrie een belangrijke plaats in. Met name in de voedings- en genotmiddelenindustrie (productkwaliteit) en de chemische industrie (scheidingen) wordt relatief veel energie gebruikt voor het verlagen van de temperatuur van productstromen. Om dit te kunnen kwantificeren is, met subsidie van Senter, een studie uitgevoerd door een samenwerkingsverband van ECN, KWA Bedrijfsadviseurs en Jacobs Consultancy Nederland (JCN) Doel van deze studie was het inventariseren van de koudebehoefte in de Nederlandse procesindustrie en een schatting te maken van het energiebesparingspotentieel op basis van een tweetal innovatieve warmtepompconcepten.
ECN-RX--04-103
5
6
ECN-RX--04-103
2.
AANPAK
De studie is beperkt tot de voedings- en genotmiddelen industrie en de (petro)chemische en aardgasindustrie. Hierbij wordt koudebehoefte gedefinieerd als actieve koeling beneden omgevingstemperatuur met een ondergrens van –100ºC. Alleen de procesgerelateerde koeling is beschouwd, airconditioning van kantoren is buiten beschouwing gelaten. Aangezien geen publieke gegevens van de koudebehoefte bekend zijn, is deze studie uitgevoerd door twee advies/ingenieursbureaus met kennis en gegevens van de beschouwde sectoren. Bij de selectie van de deelsectoren binnen de voedings- en genotmiddelen industrie is uitgegaan van de sectoren die worden genoemd in de MeerJarenAfspraken (MJA-1) Energie-Efficiency. De bedrijven die niet deelnemen aan de MJA zijn derhalve niet in deze inventarisatie opgenomen. Hoewel het totale energiegebruik binnen deze sector (110 PJ/jaar) groter is dan alleen de MJA-bedrijven (50 PJ/jaar) is geen extrapolatie gemaakt vanuit de MJA-1-cijfers naar de totale sector. De reden hiervoor is dat er niet op voorhand van uit mag worden gegaan dat de koudebehoefte in de niet-MJA-bedrijven eenzelfde deel van het energiegebruik zal uitmaken als dat van de MJA-bedrijven Voor de Nederlandse chemische- en aardgasproducerende industrie is gekeken naar processen waarbij koeling (temperatuurniveau < 15°C) een rol van betekenis speelt. De inventarisatie is gericht op koelend vermogen dat door ‘externe’ koelsystemen wordt geleverd. Warmteuitwisseling binnen een proces wordt niet geïnventariseerd omdat deze in principe niet bijdraagt aan het marktpotentieel voor de te ontwikkelen warmtepompen. Afhankelijk van de toepassing is er een verschil tussen de opwekkingstemperatuur (Topw) (de temperatuur van het verdampende koudemiddel) en de gewenste product/procestemperatuur (T prod). Het temperatuurverschil wordt bepaald door de wijze waarop de koude naar het eindproduct of proces wordt overgedragen. Dit kan op directe wijze of indirect via een koudedrager. Het resultaat van deze inventarisatie is een overzicht van het benodigde koelvermogen als functie van het gewenste temperatuurniveau. Het temperatuurniveau wordt zowel gegeven vanuit de procesbehoefte als de opwekkingstemperatuur van de koude. Het energiebesparingspotentieel van innovatieve warmtepompconcepten wordt vastgesteld door de energetische prestaties van de huidige systemen, veelal compressie koelmachines, te vergelijken met de te verwachten prestaties van de innovatieve systemen.
ECN-RX--04-103
7
8
ECN-RX--04-103
3.
ENERGIEGEBRUIK VOOR KOUDE
Voor beide onderzochte industriële sectoren zullen de resultaten van de inventarisatie worden gepresenteerd. Voedings- en genotmiddelenindustrie Zoals mocht worden verwacht is de koel/koude behoefte in deze sector voornamelijk afkomstig uit het koelen en vriezen van bederfelijke waar om zo de houdbaarheid te verhogen. Bij de bierbrouwerijen en de subsector “margarine, vetten en oliën” vinden ook productieprocessen plaats bij lage temperaturen. De gewenste producttemperaturen variëren tussen de -20°C en de +15°C. De opwekkingstemperatuur van de koelmachines varieert van -45°C tot -5°C. Figuur 3.1 toont de resultaten van het energiegebruik voor koude in de voedings- en genotmiddelenindustrie als functie van het temperatuurniveau. Per temperatuurinterval zijn drie kolommen weergegeven. De eerste kolom betreft de vanuit het proces benodigde koude in PJ per jaar (“Koude gebruik”) De tweede kolom geeft de hoeveelheid koude die door de koelmachines wordt opgewekt (“Koude opwekking”), terwijl de derde kolom de daarbij behorende primaire energiehoeveelheid presenteert (“Primaire energie”) Omdat er een groot verschil kan zitten tussen de gewenste procestemperatuur en de opwekkingstemperatuur van de koude, hebben de eerste en tweede kolom per temperatuurklasse niet aan elkaar gerelateerd anders dan dat het cumulatieve energiegebruik voor beide hetzelfde is (afgezien van verliezen). De tweede en derde kolom zijn wel aan elkaar gekoppeld via de energetische prestatie van de compressiekoelmachine (Coefficient of Performance COP).
9 Koude gebruik 8
Koude opwekking Primaire energie
Energiegebruik [PJ / jaar]
7 6 5 4 3 2 1
/11 0
/10 0
-1 00
-9 0
/90 -8 0
/80 -7 0
/70 -6 0
/60 -5 0
/50 -4 0
/40 -3 0
/30 -2 0
/20 -1 0
/10 0
/0 +1 0
+2 0
/+ 10
-
Temperatuurklasse [ºC]
Figuur 3.1 Energiegebruik voor koude in de voedings- en genotmiddelenindustrie (MJA.deelnemers) De totale koudebehoefte in de aan de MJA-1 deelnemende voedings- en genotmiddelenindustrie bedraagt jaarlijks 12 PJ en leidt tot een primaire energiebehoefte van 10 PJ per jaar. De grootste bijdrage hieraan wordt geleverd door de koudeopwekking bij -40ºC. Wanneer het primaire energiegebruik betrokken wordt op de MJA sector (50 PJ/jaar) betekent dit dat 20% van het totale energiegebruik wordt toegepast voor koeling.
ECN-RX--04-103
9
(Petro)chemische en aardgasindustrie In slechts enkele, echter grootschalige processen in de (petro-) chemische en aardgasindustrie, speelt mechanische, externe, koeling bij lagere temperatuur een rol. Verder zijn er diverse processen waar koude een rol speelt, maar waarbij de koude binnen het proces zelf wordt gegenereerd door middel van expansie. De uiteindelijk geselecteerde processen binnen deze sector zijn: • Ammoniakproductie Na de gedeeltelijke conversie van stikstof en waterstof tot ammoniak wordt de ammoniak gecondenseerd bij circa –33°C. Deze temperatuur wordt bereikt door middel van een ammoniak compressiekoelmachine. • Etheenproductie Etheen wordt, samen met een groot aantal andere producten, geproduceerd in naftakrakers. Het kraken van nafta gebeurt bij zeer hoge temperatuur (circa 850°C), waarbij een serie producten ontstaat die vervolgens moeten worden gescheiden. Hiertoe wordt de product-stroom afgekoeld tot uiteindelijk –100°C om methaan te verwijderen. Bij – 35°C wordt vervolgens etheen en ethaan verwijderd en bij –25°C propaan en propeen. Externe koeling wordt gerealiseerd met meertraps compressiekoelmachines die met etheen of propeen als koudemiddel werken. • Aardgasproductie Na de winning van aardgas worden water en zwaardere koolwaterstoffen verwijderd. In deze behandelingsstappen wordt het gas veelal gekoeld –10/-20°C. De makkelijkste manier om deze koeling te realiseren is om het gas, dat op hoge druk beschikbaar is, te laten expanderen. Externe koeling is dan niet nodig. Bij een deel van de winning worden echter wel koelmachines toegepast. Figuur 3.2 toont de resultaten van de energiegebruik voor koude in de (petro)chemische en aardgasproducerende industrie. 9 Koude gebruik 8
Koude opwekking Primaire energie
Energiegebruik [PJ / jaar]
7 6 5 4 3 2 1
11 0 /-
/-
10 0 -1 00
-9 0
/90 -8 0
/80 -7 0
/70 -6 0
/60 -5 0
/50 -4 0
/40 -3 0
/30 -2 0
/20
10 /0
-1 0
/0 +1 0
+2 0
/+
10
-
Temperatuurklasse [ºC]
Figuur 3.2 Energiegebruik voor koude in de (petro) chemische en aardgasindustrie De totale koudebehoefte in (petro)chemie en aardgasindustrie is jaarlijks 16 PJ hetgeen leidt tot een primaire energiebehoefte van 17 PJ per jaar. Wanneer dit getal betrokken wordt op de hele sector (450 PJ/jaar (petro)chemie en 30 PJ/jaar aardgasproductie) betekent dit dat 3,5% van het totale energiegebruik wordt toegepast voor koeling. De primaire energie gaat met name op aan koude opwekking bij -30/-40°C (ammoniakproductie) en -100/-110°C (etheenproductie).
10
ECN-RX--04-103
4.
ENERGIEBESPARINGSPOTENTIEEL VAN INNOVATIEVE WARMTEPOMPEN VOOR KOUDE
Voor beide onderzochte systemen zijn op basis van theoretische modellen prestaties berekend bij diverse temperaturen voor koudeopwekking. Daarbij is zowel gekeken naar systemen die met behulp van restwarmte worden aangedreven als systemen die primaire energie in de vorm van aardgas in een brander gebruiken. Voor die temperaturen waar sprake is van energiebesparing ten opzichte van de conventionele systemen, is de relatieve besparing per temperatuurinterval vermenigvuldigd met de primaire energiebehoefte van de procesindustrie in dat interval. Het resultaat hiervan staat weergegeven in Figuur 4.1. Hieruit blijkt dat een restwarmtegedreven thermochemische koelmachine in Nederland 7,3 PJ zou kunnen besparen, terwijl dit voor een brandergedreven versie uitkomt op 0,2 PJ per jaar. De restwarmtegedreven thermo-akoestische koelmachine bespaart mogelijk 2,7 PJ en de brandergedreven variant 1,5 PJ per jaar. Het belangrijkste toepassingsgebied voor de thermochemische machine is het temperatuurgebied -30/40ºC. De thermo-akoestische warmtepomp levert voornamelijk energetische voordelen op beneden de -80ºC. 4
Thermo-akoestisch brander
Thermo-akoestisch restwarmte Energiebesparing [PJ / jaar]
Thermochemisch brander 3
Thermochemisch restwarmte
2
1
0 -1 0
-9 0
-8 0
-7 0
-6 0
-5 0
-4 0
-3 0
-2 0
-1 0
0
10
-
Temperatuurklasse [ºC]
Figuur 4.1 Energiebesparingspotentieel van innovatieve koelmachines afhankelijk van de koude opwekkingstemper atuur De restwarmtegedreven thermochemische koelmachine is voor de aandrijving afhankelijk van een restwarmtebron. Voor koeling op een niveau van -30/-40ºC is een temperatuurniveau van circa 140ºC nodig. Dit is op zich een veel voorkomende temperatuur van restwarmte. Voorbeelden hiervan zijn de rookgassen van stoomketels en warme processtromen die naar de omgeving gekoeld worden. Bij de beoogde toepassingen zal vaak ook restwarmte aanwezig van het benodigde temperatuurniveau. De hoeveelheid zal echter in niet alle gevallen voldoende zijn om het volledige besparingspotentieel te benutten. Op basis van de beschikbare restwarmte zal het potentieel van deze variant worden gereduceerd tot 4,4 PJ. Bij de naftakraker waar de thermo-akoestische variant kan worden toegepast is restwarmte van voldoende hoge temperatuur ruimschoots aanwezig en blijft het besparingspotentieel tussen de 1,5 en 2,7 PJ per jaar afhankelijk van de aandrijving (brander respectievelijk restwarmte).
ECN-RX--04-103
11
12
ECN-RX--04-103
5.
CONCLUSIES
Deze studie naar de koudebehoefte in de Nederlandse procesindustrie laat een procesgerelateerde energievraag voor koude zien van ongeveer 28 PJ per jaar, verdeeld over 12.PJ voor de MJA gerelateerde voedings- en genotmiddelenindustrie en 16 PJ voor de (petro)chemische en aardgasindustrie. De hiermee samenhangende primaire energiebehoefte bedraagt 27 PJ. Hiervan neemt de voedings- en genotmiddelenindustrie 10 PJ voor haar rekening en de (petro)chemische en aardgasindustrie 17 PJ. De hiermee samenhangende energiekosten bedragen jaarlijks in de orde van 150 M€. Uit de vergelijking tussen de verwachte energetische prestaties van de conventionele met de innovatieve koelmachines blijkt dat het energiebesparingspotentieel voor een restwarmtegedreven thermochemische koelmachine in Nederland 4,4 PJ per jaar bedraagt wanneer voor de beschikbare hoeveelheid restwarmte wordt gecorrigeerd. De thermo-akoestische koelmachine bespaart mogelijk tussen de 1,5 en 2,7 PJ per jaar afhankelijk van de aandrijving. Het economisch perspectief van de innovatieve koelmachines is zonder meer goed te noemen. De energiekosten van conventionele koelmachines zijn dermate hoog dat een, eventueel duurdere maar door restwarmte gedreven nieuwe koelmachine zichzelf in korte tijd terugverdient.
ECN-RX--04-103
13
