Verduurzamen industriële warmtehuishouding

TNO ontwikkelt innovatieve technologieën en processen die het fossiele energiegebruik van de industrie verlaagt, de energiekosten verlaagt en de CO₂-emissisies reduceert. Zo helpen we de overheid, de industrie en de maatschappij een betrouwbaar, duurzaam energiesysteem te realiseren en de klimaatdoelstellingen te halen. Samen met de maakindustrie en de industriële eindgebruikers werken we aan technologische oplossingen om tot een duurzamere industrie te komen

Waarom verduurzamen met warmte?

Bedrijven zijn in toenemende mate op zoek zijn naar verduurzaming van hun processen. Dit wordt ingegeven door zowel regelgeving, vraag van consumenten naar duurzamere producten en kostenbesparing. Nederland heeft een grote energie-intensieve basisindustrie met een groot warmtegebruik (chemie, raffinage, staal, voeding, papier).

Het vergroten van de concurrentiekracht & innovatiekracht door het verduurzamen van de industriële energiehuishouding en het verminderen van de afhankelijkheid van fossiele energiedragers is van groot belang voor Nederland en zijn industrie.

Daarnaast is de Nederlandse kenniseconomie gebaat bij de ontwikkeling van innovatieve producten en processen met exportpotentieel door technologieleveranciers. Het mes snijdt dus aan twee kanten: verduurzamen van de energiehuishouding gaat gelijk op met het versterken van de Nederlandse economie en bijbehorende werkgelegenheid.

1. Procesefficiëntie

Dit is een route waarin we efficiënte processen of unit operations ontwikkelen voor toepassing in bestaande en nieuwe processen.

Hierdoor realiseren we een grote, stapsgewijze verlaging van het energiegebruik. In bestaande processen is de implementatie vaak gekoppeld aan vervangingstermijnen of uitbreiding van bestaande installaties.

TNO werkt aan efficiënte scheidingstechnologieën en aan sleuteltechnologieën om de conversie en/of de selectiviteit te verhogen. Bijvoorbeeld membraanscheiding, gekoelde absorptie, membraanreactoren, geavanceerde destillatie en membraan capacitieve de-ionisatie (MCDI).

Daarnaast kunnen ze elektrisch worden aangedreven (Power2Separate) waarmee ze de mogelijkheid bieden om fossiele energiedragers te vervangen door duurzaam opgewekte elektriciteit.

Het onderzoek van TNO heeft geleidt tot meerdere uitvindingen voor nieuwe producten en productieprocessen die marktrijp of in de markt gezet zijn, bijvoorbeeld HybSi® membraantechnologie voor het zuiveren van oplosmiddelen en HYSEP® waterstof scheidingsmodules. Zo versterken we en helpen we de industrie en het bedrijfsleven om te verduurzamen.

TNO werkt in meerdere projecten aan het verlagen van de warmtebehoefte in processen:

• In het COSMOS project schalen TNO en partners nieuwe stabiele nanofiltratie membranen op naar pilot-schaal voor de scheiding van organische mengsels met een 40% efficiëntere scheidingsproces.
• TNO werkt in het E-Champ project samen met eindgebruikers, technologie- en systeemleveranciers aan de ontwikkeling en opschaling van een nieuwe technologie om de efficiëntie van absorptie- en distillatieprocessen te verhogen.
• Na succesvolle bench-schaal testen bij TNO, wordt in het Headlines project kennis ontwikkeld die nodig is voor het ontwerp van een field unit met een elektrisch-gedreven destillatie kolom (HIDiC), die het mogelijk de CO₂ emissies in destillatieprocessen sterk terug te dringen.
• In het NWO Perspectief onderzoeksprogramma Microsync ondersteunt TNO de ontwikkeling van efficiënte scheidingstechnologieën en koolstof membranen.
• Specifiek voor het terugwinnen van waardevolle stoffen ontwikkelt TNO nieuwe materialen en coatings voor elektrisch aangedreven scheidingstechnologieën in het NWO Perspectief programma ReCoVR.

1. 2. Hergebruik en opwaardering van restwarmte

Hergebruik en opwaardering van restwarmte uit industriële processen is de tweede route. Deze oplosroute staat iets verder van het hart van het proces, hetgeen implementatie, zeker op korte termijn, vereenvoudigt. Daarnaast is het een generieke oplosroute die toepasbaar is bij alle industriële sectoren.

Energie die is gebruikt in de industrie komt uiteindelijk als restwarmte in de omgeving terecht. Deze restwarmte komt vrij middels actieve koeling, via rookgassen of warmteverliezen vanuit de installaties. Hergebruik van deze restwarmte vermindert de energiebehoefte van een industrieel proces en verlaagt hiermee de energiekosten en reduceert emissies.

Belangrijkste problemen met industriële restwarmte is dat het temperatuurniveau te laag is om weer te worden ingezet in het industrieel proces of dat de timing niet correspondeert met de behoefte aan warmte. TNO werkt samen met haar partners aan verschillende technologische oplossingen voor deze problemen.

Restwarmte naar proceswarmte

Restwarmte kan worden opgewaardeerd naar hogere temperaturen middels warmtepomptechnologie. Dat kan op verschillende manieren. De generieke uitdagingen bij industriële warmtepomptechnologie zijn:

• Het verhogen van de leveringstemperatuur van industriële warmtepompen zodanig dat deze interessant worden voor de industrie om te worden toegepast. Het uiteindelijke doel is om stoom tot 200°C te kunnen leveren vanuit restwarmte.
• Het verhogen van de efficiency van de warmtepomp om daarmee maximale besparingen te kunnen realiseren voor de industriële eindgebruiker.
• Het verlagen van de investeringskosten teneinde een goede business case voor de eindgebruiker ter verkrijgen.

Als aan deze 3 voorwaarden wordt voldaan, is er sprake van een grote toepassingsmarkt (An estimation of the European industrial heat pump market potential - ScienceDirect) voor industriële warmtepompen, met groot energiebesparings- en emissiereductiepotentieel. Tegelijkertijd is dit een zeer interessante markt voor apparatenbouwers met innovatieve technologie. TNO heeft het belang van warmtepompen voor de industriële energietransitie, samen met collega instituten, middels een whitepaper bij de EU onder de aandacht gebracht.

TNO werkt middels meerdere projecten aan het halen van bovenstaande doelen.

• Het LowCapex project richt zich op het ontwikkelen van een full-scale compressiewarmtepomp systeem dat tegen een kostprijs van 200 €/kW_th vanuit restwarmte van 60°C, stoom van 120°C kan produceren.
• Om naar nog hogere temperaturen te gaan, is het FUSE project gestart. Doelstelling bij dit project is om een 2 MW_th systeem te ontwikkelen dat stoom van 150°C kan produceren vanuit restwarmte.
• Een volgende stap in de ontwikkeling wordt gezet in het ENCORE project. Hier wordt op een wat kleinere schaal (100 kW_th) onderzocht hoe de leveringstemperatuur kan worden verhoogd naar 180°C.
• Een technologie waarmee leveringstemperaturen vrij te kiezen zijn, is de thermo-akoestische warmtepomp. In het COMTA project beoogt warmte tot op 200°C te leveren met een zelf ontwikkelde TA-warmtepomp.
• Middels stoomcompressietechnologie kan (zeer) lage druk stoom met compressie tot bruikbare drukniveaus worden verhoogd. TNO werkt samen met StandaardFasel in het SCHP project aan een prototype systeem voor opwaarderen van 0,2 bar stoom naar 5 bar stoom.
• Ook in het SPOT project wordt aan stoomcompressietechnologie gewerkt. Naast de technologie van StandaardFasel wordt ook een concept van DBS beproefd.
• Specifiek voor droogtoepassingen wordt een sorptiewarmtepomp ontwikkeld in het IDEA project.

Opslag van (rest)warmte

Warmte die vrijkomt op een moment waarop het niet nodig is, kan worden opgeslagen om op een later moment te kunnen worden ingezet. Dit is bijvoorbeeld mogelijk bij industriële batchprocessen, waarbij vrijkomende warmte uit de ene batch kan worden ingezet in de volgende batch. Ook kan warmteopslag worden ingezet om fluctuaties in de vraag of aanbod op te vangen. Er zijn verschillende vormen van warmteopslag mogelijk, afhankelijk van het temperatuurniveau en de tijdsduur van de opslag.

Algemene uitdagingen bij warmteopslag zijn het rendement (laden – ontladen), stabiliteit van materialen en investeringskosten.

Fasetransformatie materialen bieden de mogelijkheid om warmte op te slaan bij het smeltpunt van een materiaal. Dit heeft het voordeel dat er veel warmte kan worden opgeslagen in een beperkt temperatuurgebied. Voor de productie van industriële stoom is dat een belangrijk voordeel. Afhankelijk van de toepassing kan een materiaal worden geselecteerd dat een geschikt smeltpunt heeft. In het FLEXSTEAM project werkt TNO aan een systeem dat warmte compact opslaat bij 150°C.

Voor nog hogere temperaturen wordt gekeken naar de toepassingen van gesmolten zouten. Het zout dient zowel als warmteoverdracht- als warmteopslagmedium. Hiermee kan warmte tot circa 600°C worden getransporteerd en opslagen. Binnen het SPOT project wordt hierop onderzoek verricht.

3. 3. Verduurzamen van het warmteaanbod
   

   Het verduurzamen van het warmteaanbod is de derde route. Indien voor de productie van warmte een duurzame energiedrager wordt gebruikt, vermindert natuurlijk ook het gebruik van fossiele energiedragers en daarmee de CO₂-emissies.

   Technologiën en labs

• Carnot lab, voor de ontwikkeling van technologie voor hergebruik van restwarmte
• Mollier lab, voor de ontwikkeling van energie efficiënte droog & ontwateringsprocessen
• Membraanscheidingslab, voor de ontwikkeling van energie-efficiënte membraantechnologie
• Verbrandingslab, voor de ontwikkeling van duurzame verbrandingstechnologie

TNO werkt aan oplossingen op al deze routes en combinaties daarvan. TNO levert kennis van zowel technologie en processen en ondersteunt het bedrijfsleven met de energietransitie. Deze kennisbasis wordt ondersteund door een experimentele infrastructuur die het mogelijk maakt innovaties daadwerkelijk te beproeven op relevante schaalgroottes.