Hoe kunnen warmtepompen de energietransitie in de industrie laten slagen?

6 januari 2021

Warmtepompen spelen een belangrijke rol in de energietransitie, door het reduceren van aardgasgebruik en daarmee de CO₂-uitstoot. In de gebouwde omgeving voltrekt die transitie zich sneller dan in de industrie. Dat komt vooral door de complexiteit van de processen. Hoe zit dat precies, en wat is er nodig om de warmtepomp ook in de industrie te laten slagen?

Tekst: Fons Pennartz (KWA Bedrijfsadviseurs)

Ik wil dit artikel beginnen met het optekenen van een persoonlijke ervaring. Mijn eerste kennismaking met warmtepompen vond plaats toen ik in 1985 ging werken bij een grote koelinstallateur in Nederland. De afdeling Warmtepompen werd net opgedoekt. Blijkbaar had men eerder groeikansen voor deze toepassing gezien, maar hadden die niet tot de gewenste resultaten geleid.

Wko’s voor gebouwverwarming
Daarna was het lange tijd stil rondom warmtepompen, maar niet in de Scandinavische landen. Daar bouwden koeltechnische firma’s grote warmtepompen voor stadsverwarmingsprojecten. Zo’n 15 jaar geleden kwamen de warmtepompen terug, maar nu in grote getalen, als toepassing in warmte/koude-opslagsystemen voor gebouwverwarming. Gebouwverwarming en -koeling zijn seizoensgebonden en daarin past het warmtepompconcept bij uitstek door de opgeslagen zomerwarmte in de winter te gebruiken voor verwarming.
Warmtepompen zijn in feite koelinstallaties waarbij het temperatuurgebied naar boven is opgerekt, zodat warmte op circa 50 °C wordt geleverd, met uitschieters naar boven voor tapwaterverwarming. Toch zijn er karakteristieke verschillen met koelinstallaties, waarover verderop in dit artikel meer.

Invloed van klimaatbeleid en wet- en regelgeving
Voor de mondiale plannen – en vooral de vooruitstrevende EU-doelstellingen – met betrekking tot een vergaande CO₂-emissiereductie spelen warmtepompen een belangrijke rol. De warmtepomp is een voor de hand liggend elektrisch alternatief met een hoger rendement dan gasverwarming. De warmtepomp vindt steeds meer toepassing in de verwarming van individuele woningen en kantoren. In de industrie worden grotere warmtepompen steeds vaker toegepast, voor de realisatie van veel hogere temperaturen. 

Hogere werkdrukken
Die laatste ontwikkeling kent een bijzondere grondslag. Normaliter ligt de ontwerpdruk van de koelcompressor (de warmtepomp) op circa 30 bar. Met de Europese F-gassenverordening is de weg ingezet om tot een sterke reductie van synthetische hoog-GWP-koudemiddelen te komen. Hierdoor zijn natuurlijke koudemiddelen nieuw leven ingeblazen, zoals CO₂, koolwaterstoffen en uiteraard ammoniak. 
Als koudemiddel werkt CO₂ op hogere drukken. Dit heeft ertoe geleid dat fabrikanten compressoren en bijbehorende componenten zijn gaan fabriceren die geschikt zijn voor drukken van 50 tot 60 bar. Het gevolg is dat warmtepompen met de gebruikelijke koudemiddelen veel hogere temperaturen kunnen leveren, oplopend tot 140 °C. Regelgeving kan dus tot innovatie leiden, omdat binnen een gelijk speelveld nieuwe voorwaarden worden gesteld. 

Verschil met koelinstallatie
Vaak wordt gezegd dat een warmtepomp een omgekeerde koelinstallatie is, maar dat is onjuist. Ze zijn aan elkaar gelijk, alleen gaat het bij een koelinstallatie om de koude zijde en bij een warmtepomp om de warme. Thermodynamisch is het dezelfde cyclus in hetzelfde systeem. De verdamper en condensor zijn in enkele uitvoeringen van warmtepompen wel in functie ‘om te keren’, maar het blijft dezelfde cyclus. Toch zijn er grote verschillen die bij de toepassing van een warmtepomp om aandacht vragen. Bekend zijn de topics rond de geschiktheid van de compressorolie bij hogere temperaturen, en de kans op condensatie bij stilstand in en rondom de compressor.

Regeltechnische dynamiek
Regeltechnisch is er ook nog een bijzonderheid: de relatie tussen druk en temperatuur van het koudemiddel wordt vaak in een rechte lijn weergegeven, met de druk op de verticale as, in een logaritmische schaal. Er lijkt daarbij niets aan de hand bij hogere temperaturen en drukken. Als bij een ammoniakkoelinstallatie de verdampingstemperatuur of procestemperatuur aan de koude zijde 1 K in temperatuur wordt bijgeregeld, maakt de ammoniakcompressor aan de drukzijde een variatie van 0,1 tot 0,15 bar. Als een warmtepomp dat moet doen aan de warme zijde bij 80 °C, vraagt 1 K echter een drukaanpassing van circa 1 bar (zie figuur 1). Regeltechnisch heeft een warmtepomp dus een andere dynamiek die een koelinstallatie.

Complexe regeling
Een koelinstallatie kan maar op één parameter regelen, bijvoorbeeld een gewenste luchttemperatuur of watertemperatuur. De condensorzijde is regeltechnisch grotendeels ‘vrij’ om zijn warmte af te kunnen staan aan de omgeving. Een warmtepomp regelt daarentegen op de gewenste temperatuur van de warmte. Aan de bronzijde zou de regeling dan ook ‘vrij’ moeten zijn, maar meestal is hij dat niet, omdat de bronzijde ook voorwaarden stelt. Dit maakt de regeling complex en hij vraagt om de juiste engineering, met name van de voorzieningen rondom de warmtepomp (bijvoorbeeld een buffer).

Vergelijking met stoomsysteem
De warmtepomp wordt achtervolgd door vergelijkingen met stoomsystemen. Stoom is een prima warmtedrager. Met een 10bar-stoomketel kan de stoom in relatief dunne leidingen worden getransporteerd naar de gebruikers. Een kilogram condenserende stoom levert maar liefst 2.400 kJ. In theorie kan een warmtepomp ook waterdamp (als koudemiddel) comprimeren en dus stoom leveren. Bij temperaturen onder bijvoorbeeld 50 °C is de dichtheid van waterdamp echter erg laag, zodat voor een bepaald vermogen een zeer groot slagvolume van de compressor nodig is.

Inefficiëntie door warmteverlies
De op 10 bar opgewekte stoom van 180 °C wordt meestal bij het proces in druk gereduceerd, omdat het proces maar 80 °C of 110 °C aan warmte nodig heeft. De 10 bar is alleen nodig voor compact stoomtransport. Hier ontstaat ook de inefficiëntie door transmissie-warmteverlies, rookgas-warmteverlies en verliezen in het retour-condensaatsysteem. Warmtepompen produceren warmte op het temperatuurniveau van het proces, dus op de gewenste 80 tot 140 °C. Dit is efficiënter dan warmte opwekken op een hogere temperatuur. 

Twee energiebronnen
Bij warmtelevering door een CV of stoomketel is de warmtebron eenvoudigweg een brandstof (of elektriciteit). De relatie stoomproductie-gasbrander is direct. De warmtepomp heeft twee energiebronnen nodig om warmte te leveren: de restwarmte (heat source) en elektriciteit. Het betrouwbaar en stabiel aanleveren van deze warmte is cruciaal. Daarnaast vraagt de warmtepomp voldoende aansluitvermogen van een bedrijf, vanwege de motor. De vraag is of de warmtepomp zonder bijzondere kosten kan worden aangesloten op de bestaande elektrische infrastructuur. 

Indirecte regeling
In regeltechnisch opzicht is de respons van een warmtepomp anders dan die van een stoomketel. Is er in het geval van een stoomsysteem een warmtevraag, dan opent de stoomklep in een warmtewisselaar waarna de condensatiewarmte van de stoom direct aanwezig is. Het proces is in een fractie weer op temperatuur. Een warmtepomp zal trager warmte aan het proces leveren. Een warmtepomp, die in de meeste gevallen de warmte overbrengt via een heet-waterstroom, regelt indirecter. Men kan zich echter afvragen waarom snelheid nodig is. Met de juiste regeling van het proces in combinatie met de warmtepomp zijn de gewenste condities evengoed te bereiken.

Hoogte van de temperatuurlift
Leveranciers vertellen vaak met enthousiasme over warmtepompen die warmte op 120 tot 140 °C kunnen leveren. Maar bij de vraag op welk temperatuurniveau de bronwarmte wordt aangeboden, valt het vaak stil. Toch is dat een belangrijke vraag. De hoogte van de temperatuurlift is op twee manieren een bepalende of beperkende factor. Enerzijds loopt de compressor tegen de grenzen van het werkgebied aan (drukverhouding, persgastemperatuur). Anderzijds loopt de COP sterk terug bij toenemend drukverschil. Die afnemende COP bepaalt of het – berekend vanuit CO₂-emissies – zinvol is om een gasgestookte ketel te vervangen door een warmtepomp.

Temperatuur van de bronwarmte
Bij een COP die hoger is dan 2,5 tot 3 is er sprake van CO₂-emissiereductie ten opzichte van de situatie met een gasgestookte ketel. In dat geval is er dus een eis aan de temperatuur van de bronzijde van de warmtepomp. Figuur 2 geeft ter indicatie de temperatuurlift van warmtepompen bij verschillende toepassingen aan. Het onderste niveau in de range geeft de minimale brontemperatuur weer die nodig is om bij een COP van 3 het bovenste niveau – de maximale afgiftetemperatuur – te bereiken. Binnen deze range is de COP > 3. Ook koel- en vriesinstallaties zijn als warmtepompen te beschouwen.

kWh elektriciteit naar CO₂-emissie
Bij al deze toepassingen is de warmte nuttig te gebruiken als hij bij het te verwarmen proces aansluit. Een proces op 140 °C heeft bijvoorbeeld tenminste een warmtebron nodig op 80 °C om een COP van 2,5 tot 3 te realiseren. Die waarde is overigens gebaseerd op een omrekenfactor van kWh elektriciteit naar CO₂-emissie van 0,53 ton CO₂/kWh, zoals momenteel van toepassing is op het Nederlandse elektriciteitsnet. Deze waarde zal de komende tijd naar beneden worden bijgesteld doordat steeds meer elektriciteit duurzaam wordt opgewekt.
Stel dat de CO₂/kWh nul wordt (zoals in Scandinavië), dan gebruikt de warmtepomp bij een COP van 2 de helft van de elektrische energie in vergelijking met een elektrische ketel. Ervan uitgaande dat duurzame elektriciteit nog lange tijd een schaars goed zal zijn, blijven warmtepompen een belangrijke rol spelen in de warmtevoorziening, ook als een no-regret-oplossing.

Studie naar potentieel
De ‘add on’-warmtepomp uit figuur 2 is een warmtepomp die ‘bovenop’ een koelinstallatie wordt gezet en de condensatiewarmte hiervan opwaardeert. KWA Bedrijfsadviseurs heeft een studie uitgevoerd naar het potentieel in de industrie en grote utiliteitsgebouwen. Onderstaande tabel toont het potentieel van condensatiewarmte door integratie in de warmtevraag van de processen. Als voorbeeld: de voedings- en genotmiddelenindustrie (V&G) heeft een warmtevraag van 60PJ die fossiel wordt ingevuld, terwijl 24 PJ aan condensorwarmte beschikbaar is.   

Figuur 3: Warmtevraag en beschikbaar warmteaanbod uit condensors van koelinstallaties.

Warmtetransitie in de Energietransitie
Het opwekken van warmte met een fossiele brandstof gebeurt vaak op een hoge temperatuur, terwijl de gebruikers – lees: de processen – veel lagere temperaturen nodig hebben. Voorbeelden zijn een gasgestookte stoomketel op 10 bar (180 °C) die warmte levert aan een pasteur op 78 °C, en een cv-ketel die met warm water in een luchtbehandelingskast lucht opwarmt naar 20 °C voor ruimteverwarming. Zie figuur 4 ter illustratie.

Splitsing naar temperatuurniveaus
In de warmtetransitie zal een splitsing optreden naar de temperatuurniveaus van de processen. Denk aan het opwekken van een kleine hoeveelheid warmte van hoge temperatuur voor één proces, waarbij de restwarmte via buffers wordt aangeboden aan processen die een lagere temperatuur gebruiken. Dit gebeurt in combinatie met warmtepompen die deze andere processen van warmte op het gewenste temperatuurniveau voorzien. Zie figuur 5 ter illustratie. 

Complexe transitie
Voor bestaande bedrijven of gebouwen vraagt dit om een complexe transitie, ook van de infrastructuur. Bij nieuwbouw is dit beter te integreren. Een voorbeeld is de vernieuwbouw van het schaatsstadion Thialf. De koelinstallaties voor de ijsvloer fungeren als warmtepompen die warm water leveren op 65 °C (tapwater), 45 °C (LBK) en 25 °C (vloerverwarming). Warmtepompen spelen op deze wijze een grote rol in de elektrificatie bij de warmtetransitie.

Duurzame warmtebronnen
In het kader van de klimaatdoelstellingen zijn veel onderzoeken uitgevoerd naar duurzame warmtebronnen. Het gaat dan om warmte/koude-opslagsystemen in de bodem, warmte uit oppervlaktewater, diepe geothermie of warmte uit de buitenlucht. Deze bronnen zijn in de meeste gevallen echter alleen te gebruiken als de bronwarmte wordt opgewaardeerd naar bruikbare temperatuurniveaus, met behulp van warmtepompen.

Geen ‘catalogusobject’
Tussen 1985 – het jaar waar ik in het begin van dit artikel naar verwees – en nu is er veel veranderd in de toepassing van warmtepompen. Ze  hebben in de gebouwde omgeving hun plaats veroverd, terwijl ze in de industrie en grotere utiliteit in opmars zijn. Om bij die opmars grote stappen te zetten, is het belangrijk om de warmtepomp als onderdeel van een proces te beschouwen. Dat vraagt om anders te denken en de warmtepomp niet als ‘catalogusobject’ te beschouwen.

Uitdagend engineeringsproject
De integratie van de warmtepomp, de afstemming tussen warmtebron en warmtegebruiker, is een uitdagend engineeringsproject. Goede kennis is daarbij onontbeerlijk. Dit vraagt om uitwisseling van kennis en ervaring, en om goede samenwerking tussen de industrie, engineers en leveranciers. Daarnaast is voorbereidingstijd nodig, een vooruitziende strategie, en een meerjaren-vervangingsplan voor de warmtevoorziening. 

Noot: Dit artikel is geschreven vanuit het concept van de elektrisch aangedreven compressiewarmtepomp. Andere warmtepompconcepten, zoals warmtegedreven absorptie, thermochemische en akoestische warmtepompen en andere warmtetransformatoren sluiten hier voor een deel op aan. Het voert te ver om deze technieken in dit artikel te behandelen.