Voorverwarmen van groene koffiebonen met restwarmte Energie besparen en de productiecapaciteit verhogen
Aanleiding Deze factsheet behandelt een studie naar het voorverwarmen van groene koffiebonen met restwarmte uit het brandproces. Dat bespaart energie en de productiecapaciteit neemt toe. Hoe zijn energiebesparing in het brandproces en stijging van de productiecapaciteit mogelijk?
Aanpak Arcadis Nederland voerde in opdracht van Agentschap NL een literatuurstudie uit, hield gesprekken met verschillende voor de koffiebranche bekende leveranciers en stelde zo de Best Beschikbare Techniek (BBT) voor het voorverwarmen van groene bonen vast. De offertegegevens voor drie verschillende koffiebranders vormen de basis voor een rekenmodel. Het rekenmodel berekent voor een koffiebranderij de hoogte van de investering, de energiebesparing en het capaciteitsvoordeel. De uitkomst is echter een indicatie voor de mogelijkheden. Maatwerk moet de exacte verhouding tussen de verschillende voor- en nadelen bepalen.
Conclusie Groene koffiebonen zijn met restwarmte op twee manieren voor te verwarmen:
1. Schone lucht opwarmen via een warmte wisselaar langs de afgassen en daarmee de groene bonen opwarmen (indirect). 2. De groene bonen opwarmen met de afgassen van het brandproces (direct). Direct voorverwarmen leidt tot twee keer zoveel energie-efficiencyverbetering en een twee keer zo hoge capaciteitsverbetering ten opzichte van indirect voorverwarmen. De invloed van het direct voorverwarmen op smaak en de volksgezondheid zijn echter onduidelijk waardoor het risico’s oplevert om dit toe te passen. Met indirect voorverwarmen kunnen koffiebranderijen 12 procent energie besparen in het brandproces en neemt de capaciteit toe met 10 procent. De benodigde investering voor het indirect voorverwarmen ligt tussen de 330.000 en 350.000 euro. Op basis van besparingen op de energie kosten is een terugverdientijd van 15 jaar mogelijk. Benut een koffiebranderij echter de extra productiecapaciteit, dan leidt dit tot extra omzet en dus extra toegevoegde waarde. Bij 50 procent benutting van de extra productie capaciteit is een terugverdientijd van 1 jaar mogelijk, afhankelijk van de productiecapaciteit.
Karakteristieken van de studie
Discussie rondom afgassen Hebben afgassen wel of geen invloed op de smaak van de koffie? Via direct voorverwarmen komen stoffen uit de afgassen in contact met de groene bonen. Door indirect voor te verwarmen wordt dit voorkomen. Een warmtewisselaar verwarmt schone lucht die vervolgens de groene bonen voorverwarmt. Hieronder is het direct en indirect voorverwarmen schematisch weergegeven.
Via een deskstudie, expertise uit de branche en gesprekken met leveranciers zijn verschillende technieken van voorverwarming kwalitatief beoordeeld. Daarbij is gekeken naar inpassing, homogeen verwarmen, warmteafdracht, schade aan de groene boon, energieverbruik en het beheersen van de temperatuur. Voorverwarmen door middel van een roterende trommel of in een container met schoepen blijkt de Best Beschikbare Techniek (BBT). Vanuit kostenoverweging kiezen leveranciers voor een container met schoepen. Dit is het uitgangpunt in de studie.
In dit onderzoek zijn de volgende vier scenario’s doorgerekend. Scenario 1 2 3 4
Lucht uitlaat
Capaciteit installatie 350 kg/batch 350 kg/batch 150 kg/batch 150 kg/batch
Voorverwarmen Indirect Direct Indirect Direct
Groene bonen Lucht uitlaat Verwarmen groene bonen
Katalysator
Voorverwarmde groene bonen
Brandproces
Bruine bonen Direct voorverwarmen
Groene bonen Lucht uitlaat
Lucht uitlaat
Schone lucht Warmte wisselaar
Verwarmen groene bonen
Katalysator
Voorverwarmde groene bonen
Brandproces
Bruine bonen Indirect voorverwarmen
2 | Voorverwarmen van groene koffiebonen met restwarmte
Ontwikkelingen en toepassingen
Invloed op smaak
De volgende grafieken, gebaseerd op de efficiëntiecurve van Neuhaus Neotec, laten de energiebesparing en toename van de capaciteit zien in relatie tot de duur van de voorverwarming. Lokale omstandigheden veroorzaken de gehanteerde bandbreedte in de figuren. Directe voorverwarming is twee keer zo efficiënt ten opzichte van indirecte voorverwarming. 25
In de afgassen zitten bepaalde stoffen waardoor deze bij een directe toepassing invloed kunnen hebben op de smaak. Praktijkervaring leert dat deze invloed klein is, maar soms wel waarneembaar. Indirecte voorverwarming heeft geen invloed op smaak. Sterker nog: door groene bonen continue voor te verwarmen tot 100˚C, vlakt men de seizoensinvloeden uit en is het mogelijk met het brandproces een constantere kwaliteit te produceren.
Directe voorverwarming Toename Capaciteit (%)
20
Gevolgen op geur
Indirecte voorverwarming 15
10
5
0
0
2
4
6
8
10
Tijd (minuten)
Het voorverwarmen heeft zowel bij de directe als indirecte uitvoering geen invloed op de hoeveelheid geur. Wel daalt de temperatuur van de afgassen waardoor de stijging van de afgassen uit de schoorsteen minder is. Dat heeft een invloed op de verspreiding van de afgassen. Maatwerk moet bepalen hoe groot de invloed is en of dit leidt tot geurhinder. Implementatie
35 Directe voorverwarming
Energie besparing (%)
30 Indirecte voorverwarming 25 20 15 10 5
0
2
4 Tijd (minuten)
6
8
10
Gezien het grote efficiëntieverschil tussen indirect en direct, is meer duidelijkheid over de invloed van afgassen op de smaak en de gevolgen van aanwezige stoffen op de gezondheid wenselijk. De aanbeveling is om extra onderzoek te doen naar wat de mogelijke invloed is en/of hoe deze bijvoorbeeld met filter tussenstappen tot een acceptabel niveau kan worden gereduceerd.
Resultaten en conclusies Invloed op smaak en gevolgen op geur zijn relevante aspecten van het voorverwarmen, gebaseerd op praktijkervaringen van toegepaste systemen in Duitsland.
Het installeren van de benodigde installaties en leidingwerk vindt voornamelijk tijdens de productie plaats. De installatie vraagt een ruimte van circa 2 bij 2 bij 4 meter boven de brander. Die kan ook ergens anders worden geplaatst, maar dan zijn de investeringen hoger en het rendement lager. De brandregimes past men aan nadat het systeem functioneert. Door voorverwarmen is alleen de starttemperatuur anders; de verwachting is dat brandregimes relatief eenvoudig zijn bij te stellen. Daarnaast dienen de processtappen voor en na het branden, bijvoorbeeld het koelproces, aandacht te hebben voor de vraag of het veranderde brandregime geen invloed heeft op de doorlooptijd van deze processtappen. Terugverdientijd
Gebaseerd op de energiebesparing van 12 procent op het aardgasverbruik in het brandproces is een terugverdientijd van 15 jaar realistisch. Dit lijkt geen aantrekkelijke terugverdientijd. Maar het voorverwarmen leidt ook tot een capaciteits toename van 10 procent met dezelfde installatie. Extra productiecapaciteit benutten, leidt tot extra omzet en dus extra toegevoegde waarde. Bij 50 procent benutting van de extra productie capaciteit is de terugverdientijd terug te brengen tot 1 à 10 jaar.
3 | Voorverwarmen van groene koffiebonen met restwarmte
Kengetallen van deze studie Voor de berekeningen zijn de volgende uitgangspunten gehanteerd: Uitgangspunt
Grote brander
Kleine brander
Totale investering Jaarlijkse hoeveelheid ruwe koffie Jaarlijks energieverbruik Energie-efficiency van het brandproces Kosten aardgas Benutten extra productiecapaciteit Toegevoegde waarde gebrande koffie Massa bruine boon t.o.v. groene boon
(350 kg/batch) € 350.000,16.000 ton 727.273 Nm3 22 kg/Nm3 € 0,27 50% € 500,-/ton 85%
(150 kg/batch) € 330.000,1.250 ton 73.529 Nm3 17 kg/Nm3 € 0,29 50% € 500,-/ton 85%
Het voorverwarmen van groene bonen heeft de volgende voordelen: Indirect verwarmen
Direct verwarmen
Batchduur
Energiebesparing
Toename capaciteit
Energiebesparing
Toename capaciteit
(minuten) 4 6 8 10
10% 12% 14% 16%
7% 10% 11% 12%
19% 23% 25% 27%
15% 18% 20% 22%
Hierbij zijn de volgende randvoorwaarden en uitgangspunten relevant: • De brander heeft een geavanceerde besturing waarop de voorverwarming kan aanhaken; • De brandertijden per batch zijn bij voorkeur langer dan 4 minuten; • Het voorverwarmen tot een groene boon temperatuur van 100˚C; • De kosten van het indirect voorverwarmen zijn vergelijkbaar met de kosten van het directe voorverwarmen; • Direct voorverwarmen is twee keer zo efficiënt ten opzichte van indirect voorverwarmen.
Wat kunt u ermee? Heeft uw installatie een productiecapaciteit die nagenoeg gelijk is aan 350 of 150 kg/batch? Dan kunt u na een check op de gehanteerde uitgangspunten de resultaten van de studie gebruiken voor uw besluitvormingsproces. Als uw productiecapaciteit of de te hanteren uitgangspunten in uw situatie aanzienlijk afwijken van deze studie, dan biedt het rekenvoorbeeld op pagina 5 een houvast om zelf berekeningen uit te voeren. De terugverdientijd is berekend op een gemiddelde aardgaskostprijs van € 0,27 voor grote branderijen en € 0,29 voor kleine branderijen. Het financiële voordeel van extra productiecapaciteit is gebaseerd op een toegevoegde waarde van € 0,50 per kg verkochte koffie. Gezien de grote invloed van dit kental is bewust gekozen voor een behoudende benadering.
4 | Voorverwarmen van groene koffiebonen met restwarmte
Een rekenvoorbeeld De volgende tabellen maken een onderscheid tussen het indirect en direct voorverwarmen van groene bonen. Ook leest u de invloed van de duur van een batch en dus de duur van het voorverwarmen.
Grote brander
Resultaten per batchtijd
(350 kg/batch)
Indirect voorverwarmen
Berekend aspect
4 minuten
6 minuten
8 minuten
4 minuten
6 minuten
8 minuten
Besparing aardgas (€/j) TVT (jaar) Toename capaciteit (ton/jaar) Extra benutte capaciteit (ton/jaar) Opbrengst extra capaciteit (€/jaar) Totale TVT (jaar)
19.636 18 952 476 238.000 1,4
23.564 15 1.360 680 340.000 1,0
27.491 13 1.496 748 374.000 0,9
37.309 9 2.584 1.292 646.000 0,5
45.164 8 3.128 1.564 782.000 0,4
49.091 7 3.400 1.700 850.000 0,4
Kleine brander
Resultaten per batchtijd
(150 kg/batch)
Indirect voorverwarmen
Berekend aspect
6 minuten
8 minuten
10 minuten
6 minuten
8 minuten
10 minuten
Besparing aardgas (€/j) TVT (jaar) Toename capaciteit (ton/jaar) Extra benutte capaciteit (ton/jaar) Opbrengst extra capaciteit (€/jaar) Totale TVT (jaar)
2.559 129 106 53 26.563 11,3
2.985 111 117 58 29.219 10,2
3.412 97 128 64 31.875 9,4
4.904 67 244 122 61.094 5,0
5.331 62 266 133 66.406 4,6
5.757 57 287 143 71.719 4,3
Totale investering Kosten installaties + montagekosten + kosten bekabeling + opstartkosten + transportkosten en verzekering Energiebesparing Jaarlijks aardgasverbruik brandproces (Nm3) x % energiebesparing x kostprijs 1 m3 (€)
Resultaten per batchtijd Direct voorverwarmen
Resultaten per batchtijd Direct voorverwarmen
Opbrengst extra capaciteit Ruwe koffie (ton/jaar) x % verhouding massa bruine boon t.o.v. groene boon x % toename capaciteit x % benutte extra capaciteit x toegevoegde waarde gebrande koffie (€/ton) Terugverdientijd Totale investering (€) / (energiebesparing (€/jaar) + opbrengst extra capaciteit (€/jaar))
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 bij grote en kleine branderijen. ‘Voorverwarmen van groene bonen’ en ‘Efficiënte geuremissie van het brandproces’ zijn onderdelen van dat volledige brandproces.
5 | Voorverwarmen van groene koffiebonen met restwarmte
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.
Klantcontact Agentschap NL (op werkdagen tussen 9:00 - 12:00 uur en 14:00 - 16:00 uur) Telefoon: (088) 602 92 00 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 | juli 2012 Publicatie-nr. 2MJAP1173 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.
