TNO ontwikkelt breed toepasbare industriële warmtepompen
TNO telde de afgelopen tien jaar zeven onderzoeksprojecten rond industriële compressiewarmtepompen. In de drie huidige programma’s staat de ontwikkeling van breed toepasbare technologie met relatief lage investeringskosten centraal. Volgens Soledad van Eijk, business developer Industrial Heat Technologies bij TNO, neemt de belangstelling voor industriële warmtepompen snel toe. “Bedrijven zijn echter huiverig voor de technische inpassing in hun processen”.
Tekst: Bas Roestenberg
Het onderzoek van TNO richt zich op de ontwikkeling van warmtepompsystemen die breed in de markt kunnen worden uitgerold. “Daarbij moet je denken aan warmtepompen die uit restwarmte stoom van 100 tot 200 °C maken”, vertelt Soledad van Eijk. Warmtepompen voor hogere temperaturen dan 200 °C blijven om verschillende redenen buiten beeld.
Soledad van Eijk: “Met een compressiewarmtepomp zijn temperaturen boven de 200 °C ondenkbaar.”
Steeds grotere temperatuurlift
Ten eerste zal het temperatuurverschil tussen de geleverde restwarmte en de gevraagde proceswarmte – en daarmee de temperatuurlift van de warmtepomp – steeds groter worden. Hierdoor loopt de efficiency van de warmtepomp sterk terug en is toepassing ervan geen zinvolle optie. Daarnaast is er een limiet aan de temperatuur die je met een compressiewarmtepomp kunt realiseren. “Er is wel vraag naar proceswarmte met veel hogere temperaturen dan 200 °C, bijvoorbeeld in staalfabrieken, de chemische industrie en bij olieraffinaderijen”, vertelt Van Eijk. “Met een compressiewarmtepomp zijn zulke temperatuurniveaus echter ondenkbaar. Het werkmedium (zie kader Werkmedium versus koudemiddel) limiteert de maximale temperatuurlift; heel ver boven de 200 °C kom je er niet mee.”
Technische barrière
“Bij de verdamping van het werkmedium bij restwarmtetemperatuur wil je graag een druk hoger dan 1 bar hebben, om vacuüm te voorkomen”, legt Van Eijk dat laatste uit. “Aan de condensatiekant – dus op de proceswarmtetemperatuur – wil je de druk echter niet te hoog laten oplopen; 20 tot 25 bar is daarbij wel de limiet. Dat zorgt voor een technische temperatuurbarrière voor de inzet van compressiewarmtepompen. Om processen die veel hogere temperaturen dan 200 °C nodig hebben te verduurzamen, moet naar andere oplossingen worden gekeken. Denk daarbij aan de toepassing van groen gas, directe elektrificatie, waterstof of andere koolstofvrije brandstoffen.”
De onderzoekers van TNO spreken nadrukkelijk over ‘werkmedium’ en niet over ‘koudemiddel’. “Het is wat verwarrend om over ‘koudemiddel’ te praten als je stoom van 150 graden maakt”, aldus Soledad van Eijk. In dit artikel wordt in het kader van eenduidigheid alleen de term ‘werkmedium’ gebruikt.
Breed inzetbaar
Een belangrijke doelstelling voor TNO is om industriële warmtepompsystemen te ontwikkelen die breed kunnen worden ingezet. “Van alle TNO-projecten tot nu toe hebben Kickstart, Low CapEx en FUSE (Full Scale Industrial Heat Pump, -red) het hoogste Technology Ready Level”, vertelt Van Eijk. “Dat betekent dat het om systemen gaat waarbij we erop sturen dat ze in de toekomst zowel in technisch als bedrijfseconomisch opzicht breed toepasbaar zijn.”
Beperkte investeringskosten
Binnen het Low CapEx-project is in samenwerking met IBK Groep een warmtepomp met 2 MW vermogen ontwikkeld die als werkmedium de HFO R1234zd(E) (GWP-waarde: 1) gebruikt. Deze warmtepomp kan stoom van 120 ˚C maken (wat overeenkomt met 2 bara stoomdruk), uit restwarmte met een temperatuur tussen 50 en 80 ˚C. Zoals de projectnaam al verraadt, is een belangrijke doelstelling bij het Low CapEx-project om de investeringskosten voor de warmtepomp beperkt te houden. Bij eerdere pilotprojecten met industriële compressiewarmtepompen, door ECN/TNO uitgevoerd voor TKI Energie en Industrie en het ISPT (Institute for Sustainable Process Technology), werd geconstateerd dat de toenmalige CAPEX-costen van 500€/kWth (500 euro per kilowatt geleverde warmte) een succesvolle marktintroductie zouden belemmeren. TNO streeft daarom bij de Low CapEx-warmtepomp naar een kostenplaatje van maximaal 200€/kWth.
Fuse en Kickstart
Naast Low CapEx lopen bij TNO momenteel nog twee warmtepompprojecten; FUSE en Kickstart. In het FUSE-project wordt door TNO een 1MW-warmtepomp ontwikkeld die het natuurlijke werkmedium pentaan (GWP: 5) gebruikt. Deze warmtepomp maakt gebruik van restwarmte van 60 tot 90 °C als bron om stoom van 150 °C te maken (wat overeenkomt met een stoomdruk van 5 bara).
Het Kickstart-project is onlangs officieel opgestart. Binnen dit project werkt TNO samen met veertien partijen, waaronder De Kleijn Energy Consultants & Engineers, TU Eindhoven, Universiteit Twente en IBK Groep. Binnen dit consortium wordt één bestaande hogetemperatuur-warmtepomp aangepast en één nieuwe hogetemperatuurwarmtepomp ontwikkeld, waarna beide bij een eindgebruiker in de praktijk worden getest. Technische details over dit project zijn nog niet vrijgegeven.
Invloed op terugverdientijd
“Het algehele streven is om de terugverdientijd van de warmtepomp in ieder geval onder de vijf jaar te krijgen”, stelt Van Eijk. “Die net genoemde 200€/kWth is een generiek doel, maar het kan per toepassing anders uitpakken. We hebben immers ook te maken met de kosten voor integratie van de warmtepomp in het proces, en die zijn sterk afhankelijk van de productie-omgeving. De terugverdientijd van industriële warmtepompen wordt bovendien sterk bepaald door de gas- en elektriciteitsprijzen en de verhouding daartussen, en ook de CO₂-emissiekosten hebben grote invloed.”
Gestandaardiseerd ontwerp
De warmtepompen in de drie lopende projecten Kickstart, Low CapEx en FUSE moeten uiteindelijk zoveel mogelijk uit standaardcomponenten worden samengesteld. “In eerste instantie kunnen bij demoprojecten waar nodig custom-componenten worden gebruikt”, vertelt Van Eijk. “Maar uiteindelijk moet het voor de industrie financieel haalbaar zijn om in te zetten op grote warmtepompprojecten. Om de doelstelling van lagere investeringskosten te realiseren, moet het ontwerp van deze machines zoveel mogelijk worden gestandaardiseerd en moeten ze uiteindelijk seriematig worden geproduceerd.”
De testinstallatie die in TNO’s Carnot-lab bedrijfscondities kan nabootsen.
Gesimuleerde praktijkcondities
Na afronding van de ontwerpfase verkeren de FUSE- en Low CapEx-warmtepompen inmiddels in het stadium dat er praktijktests mee worden uitgevoerd. Dit gebeurt in TNO’s eigen Carnot-lab in Petten, een testomgeving waarin operationele omstandigheden uit de industrie kunnen worden gesimuleerd. De openingsfoto boven dit artikel toont de aankomst van de LowCapex-warmtepomp bij het Carnot-lab. “In het Carnot-lab kunnen we warmteopslag- en warmtepompsystemen van 1 kW tot 2 MW testen”, vertelt Van Eijk. “We hebben er de mogelijkheid om warmtepompen in een gesimuleerde praktijksituatie te laten draaien, dus zonder dat we in een fabriek productieprocessen beïnvloeden.”
Test onder praktijkcondities
In het lab wordt de FUSE-warmtepomp getest onder condities die zijn overgenomen uit de chemische fabriek waar hij in een later stadium zal worden geplaatst, terwijl de Low CapEx-warmtepomp wordt getest onder bedrijfscondities die gelijk zijn aan die in de papierindustrie. Van Eijk: “In het Carnot-lab wordt nu een meetcampagne uitgevoerd waarbij we onder andere testen hoe de warmtepompen reageren op gesimuleerde incidenten. Wat gebeurt er bijvoorbeeld als ineens de stoomdruk wegvalt? Door dit in kaart te brengen, kunnen we in het lab de kinderziektes er voortijdig uit halen, dus zonder het risico dat in een fabriek het hele productieproces wordt stilgelegd.”
Toepassing in de praktijk
Als de testfase in het Carnot-lab succesvol is afgerond, is het de bedoeling om de Low CapEx-warmtepomp op een locatie van Smurfit Kappa te gaan demonstreren. Van Eijk: “Na de labdemo op technisch niveau wordt dan de volgende stap gezet. Die moet praktijkinzicht opleveren over de mate waarin de warmtepomp in een daadwerkelijk productieproces functioneert. Door inpassing in de praktijk krijgen we dan ook beter inzicht in hoe de machine optimaal in een bestaand proces kan worden geïntegreerd.”
De Low CapEx-warmtepomp, verbonden aan de installatie die fabrieksprocessen kan nabootsen.
Ervaringen bij papierproducent
Dat het de bedoeling is om de Low CapEx-warmtepomp bij SmurfitKappa te plaatsen, is geen toeval: bij deze papierproducent is eerder ervaring opgedaan met de inpassing van een industriële warmtepomp. Op het dak van de fabriek stond sinds 2013 een butaanwarmtepomp van 200 kW die door IBK Groep, Bronswerk, ISPT en ECN (inmiddels onderdeel van TNO) werd ontwikkeld om uit restwarmte van 64 °C stoom van 115 °C op te wekken. “Dat was een tijdelijke proef”, vertelt Van Eijk. “Deze machine is inmiddels van het dak getakeld en naar het Carnot-lab gereden, voor verder onderzoek.”
COP en gas- en elektriciteitsprijs
Of de uiteindelijke marktintroductie van de warmtepompen succesvol verloopt, is niet alleen afhankelijk van de techniek die erachter steekt. “Bij een warmtepomp die uit restwarmte van ongeveer 60 °C stoom van 120 °C maakt, is het basisstreven om een COP van minimaal 3,5 te halen”, legt Van Eijk uit. “Met die efficiency is de techniek economisch concurrerend met gasgestookte ketels. Of bedrijven uiteindelijk overstappen op een industriële warmtepomp hangt echter niet alleen af van de COP, maar onder andere ook van de gas- en elektriciteitsprijs. In die zin is het interessant om te zien welke invloed de huidige prijsontwikkelingen hebben.”
Groene elektriciteitsmix
Los van zulke economische afwegingen speelt ook het aanbod van duurzame stroom een rol. “Hoeveel milieuwinst je boekt door een gasgestookte installatie te vervangen door een warmtepomp, hangt mede af van hoe groen de stroommix is. Het mooie van een warmtepomp is dat hij direct milieu- en kostenvoordeel met zich meebrengt, ook met de huidige elektriciteitsmix. Hoe groener die elektriciteitsmix wordt, hoe groter het milieuvoordeel van de warmtepomp wordt. Daarmee is het dus een robuuste, toekomstgerichte keuze.”
Terughoudende eindgebruikers
Kijkend naar de markt constateert Van Eijk dat de belangstelling voor industriële warmtepompen vanuit de industrie snel groeit, maar dat bedrijven terughoudend zijn bij het daadwerkelijke besluit tot een transitie. “Daarbij speelt uiteraard de vraag of en hoe snel ze hun investering kunnen terugverdienen, maar bedrijven zijn ook huiverig over de technische impact. Ze vragen zich bijvoorbeeld af welke invloed het veranderen van hun warmtevoorziening heeft op het productieproces, of wat er moet gebeuren met de relatief nieuwe gasketel die ze een paar jaar geleden hebben laten plaatsen.”
‘Gebrek aan voorbeeldprojecten’
Bedrijven willen daarbij niet alleen lezen en horen, maar ook letterlijk zien wat de overstap naar een warmtepomp met zich meebrengt. Van Eijk: “De grootste belemmering voor de grootschalige uitrol van industriële warmtepompen is daarom het gebrek aan voorbeeldprojecten. Het zou goed zijn als er meer praktijkvoorbeelden worden getoond waarmee twijfelende investeerders over de streep worden getrokken.”