MDR maakt stoomrecompressie economisch en energetisch interessant

Van restproduct naar waardevolle energiedrager

Stoom is nog steeds een van de belangrijkste energiedragers in alle takken van de procesindustrie en kan op allerlei drukniveaus opgewekt en gebruikt worden. Hogedrukstoom kan turbines aandrijven terwijl lagedrukstoom voor verwarming van processen toegepast wordt. Beneden 5 bar heeft stoom vaak minder of geen waarde omdat die moeilijker te gebruiken is vanwege de lage temperatuur (~150 °C). Door die stoom opnieuw te comprimeren vindt op een efficiënte wijze een opwaardering plaats: een restproduct wordt een waardevolle energiedrager. Deze beproefde techniek is een variant van Mechanische damprecompressie (MDR).

Het thermodynamisch principe

MDR is een open warmtepompsysteem. Door te comprimeren stijgen druk en temperatuur en de bijbehorende verzadigingstemperatuur. Dit vraagt een fractie additioneel vermogen (compressorenergie) in relatie tot de hoeveelheid latente warmte die aanwezig is in de gerecyclede damp. Het systeem fungeert als een warmtetransformator die de kwaliteit van de warmte opwaardeert.

Door het isentropisch rendement van de compressie ontstaat enige oververhitting van de stoom. Dit lijkt nadelig, maar dat kan eenvoudig worden gecompenseerd door injectie van ketelvoedingwater, zodat de stoom juist die temperatuur krijgt die gewenst is. Op deze wijze wordt de oververhitting van de stoom omgezet in extra stoomproductie. De ‘truc’ in het hele proces is het voorkomen van condensatie van de stoom en het vasthouden van de latente warmte.

 

Energetische prestatie

Voor het bepalen van de prestaties van MDR wordt gebruikgemaakt van de COP (Coëfficiënt of Performance). De COP geeft de verhouding weer tussen de toegevoerde compressie-energie en de netto teruggewonnen warmte. Energetisch en economisch aantrekkelijke toepassingen hebben een COP van minimaal 3,5. Praktijktoepassingen van MDR laten zien dat COP’s van 10 en zelfs meer haalbaar zijn.

Een goed energetisch rendement kan bereikt worden door:

• Een lage verhouding van de absolute drukken; als richtlijn kan een maximum van 1:6, in de praktijk circa 1:3, worden aangehouden,
• Minimale schaalgrootte; als richtlijn kan een ondergrens van 1 ton stoom per uur worden aangehouden,
• Waterinjectie na de compressie.

In vergelijking met andere technieken scoort MDR erg goed op de energetische ladder. Voor bijvoorbeeld ‘Power to Heat’ (PtH) is de COP 1,0. Eén kW elektrische energie levert 1 kW thermische energie. Voor compressiewarmtepompen wordt veelal een COP van 3 tot 5 bereikt, waarbij aangetekend moet worden dat warmtepompen in het stoombereik nog slechts heel beperkt commercieel beschikbaar zijn. Een interessante ontwikkeling in dit kader is de Radiax compressor van Bronswerk Heat Transfer.

Type compressoren

Voor MDR is er een breed scala aan compressoren beschikbaar. Het type compressor is onder meer afhankelijk van het medium, de gewenste druk- en temperatuurverhoging, de absolute druk en de volumestroom.

 

Voordelen en argumenten om stoomrecompressie toe te passen

MDR is energetisch en economisch aantrekkelijk en levert technisch en financieel weinig risico. MDR is daarom in de eerste plaats aantrekkelijk voor bedrijven met een overschot aan lagedrukstoom of flash-stoom. De voordelen zijn onder andere:

• Terugverdientijden tussen één en drie jaar,
• MDR voorkomt energieverspilling,
• De energie-efficiency verbetert en het energiegebruik daalt,
• Herstel van de stoombalans kan op een flexibele wijze worden vormgegeven,
• De beschikbare capaciteit gaat van een tot tientallen tonnen stoom per uur per unit,
• Voor capaciteitsvergroting en/of flexibiliteit kunnen meerdere eenheden parallel worden geplaatst,
• Actieve sturing van de warmtekracht verhouding bij warmte-kracht koppeling (WKK), met als resultaat een beter economisch rendement,
• Er kan flexibel worden ingespeeld op variërende elektriciteitsprijzen,
• De afhankelijkheid van de gasprijs vermindert,
• Bewezen technologie.

Economische aspecten

MDR is altijd maatwerk. De rentabiliteit van investering is MDR is onder meer afhankelijk van de volgende factoren:

• Schaalgrootte,
• Stoomprijs (wordt veelal bepaald door de gasprijs),
• Drukverhouding,
• Waarde van de ingaande reststoom,
• Elektriciteitsprijs

Uit eerder doorgerekende business cases blijkt dat MDR economisch gezien erg robuust is voor stoomhergebruik. Bij een verhouding tussen elektriciteitsprijs en gasprijs van 3:1 in combinatie met een goede COP, is MDR nog (erg) rendabel. Voor industriële toepassingen betekent dit dat MDR ongevoelig is voor de elektriciteitsprijs, en dat de aardgasprijs het toepassen van MDR bepaalt. Met MDR krijgt de industrie een stuurmechanisme om stoom op verschillende manieren op te wekken: de klassieke weg via ketels en/of warmtekracht, of daarnaast ook stroomstoom met MDR!

Maatschappelijk belang van flexibilisering

Zoals eerder genoemd heeft de industriesector direct economisch belang bij MDR. Maar: er zijn ook synergie effecten in de duurzame energiesector, de warmtekrachtsector en bij de netbeheerder.

Duurzame energiesector

De energiesector heeft belang bij een voorspelbare en acceptabele prijs voor de geproduceerde elektriciteit. Door de variabiliteit van het windaanbod neemt de onbalans tussen productie en vraag toe. Aangezien de windsector als onderdeel van het Energieakkoord sterk gaat groeien, wordt verwacht dat de negatieve druk op de elektraprijs verder zal toenemen. Deze ontwikkeling speelt niet alleen in Nederland, maar vooral ook in Duitsland als gevolg van de Energiewende. Door de verknoping van elektriciteitsnetten blijven de gevolgen daarvan niet beperkt tot landsgrenzen. De verwachte ontwikkeling van de elektriciteitsprijs tot 2020 is weergegeven in
Figuur 4. Dit is een potentiële valkuil voor de windsector. Door het toepassen van MDR is een stuurbaar gereedschap beschikbaar waardoor de elektriciteitsvraag toeneemt. Dit heeft een gunstig effect op de elektriciteitsprijs, en legt zodoende een bodem in het prijsprofiel.

Netbeheerder

De netbeheerder heeft als taak ‘voldoende transportcapaciteit’ beschikbaar te hebben voor alle gewenste energietransporten. Daarnaast is de landelijke netbeheerder de eindverantwoordelijke voor het handhaven van de energiebalans. De veranderende energiemarkt geeft hierin een nieuwe dynamiek: een groeiend aandeel duurzame elektriciteit (wind, zon-PV), een dalend aandeel van gasgestookte warmtekrachtcentrales en een toenemend aandeel van kolengestookte elektriciteitsopwekking maakt dat de benuttingsgraad van het transportnet lager wordt, en dat de beschikbaarheid van regel- en reservevermogen minder wordt, terwijl aan de ‘duurzame’ zijde het onvoorspelbare vermogen toeneemt. Met name in de kustregio’s speelt dit effect sterk. MDR kan hierin de rol vervullen van een stuurbaar opnamevermogen van elektriciteit. Hierdoor krijgt de netbeheerder een gereedschap in handen, waarmee het mogelijk is om energiestromen te beïnvloeden en daarmee geografisch en in de tijd vraag en aanbod met elkaar in balans te brengen. Investeringen in een transportnetwerk met genoeg capaciteit voor alle pieken, kunnen hiermee worden voorkomen of uitgesteld.

"Met MDR krijgt de netbeheerder een gereedschap in handen waarmee het energiestromen kan beïnvloeden en daarmee geografisch en in de tijd vraag en aanbod met elkaar in balans kan brengen"

Ook kan het portfolio van aanbieders van regel- en reservevermogen worden uitgebreid door de flexibiliteit in energieverbruik die het MDR-proces biedt.

Warmtekrachtsector

Door de hoge gasprijzen en de dalende elektraprijzen, staat de warmtekrachtsector de laatste jaren sterk onder druk. Dit effect zal eerder toenemen dan afnemen. Een van de gevolgen is dat warmtekrachtinstallaties stilgezet worden, of terug-geregeld worden. Voor vele procesgekoppelde warmtekrachtinstallaties geldt een ‘must-run’-conditie: de energievraag vanuit de productieprocessen staat het stoppen van de warmtekrachtinstallatie niet toe. Hierdoor heeft de exploitant van de warmtekrachtinstallatie beperkte mogelijkheden voor wat betreft een economische optimalisatie, en heeft een met verlies draaiende installatie weinig speelruimte om het verlies te beperken.

Net als de duurzame energiesector heeft de warmtekrachtsector belang bij een aanvaardbare (hogere) elektriciteitsprijs. Door het toepassen van MDR treedt een stuurbare verschuiving op van warmte- naar elektriciteitsvraag, met een stijging van de elektriciteitsprijs. Dit is gunstig voor de exploitatie van de warmtekrachtinstallatie en levert effectief een besparing op van het fossiele energiegebruik.

Synergie, samenwerkingsmodel en perspectief

MDR is een gereedschap dat voor alle partijen voordeel brengt: de procesindustrie, de duurzame energiesector, de warmtekrachtsector en de netbeheerder. Deze partijen hebben elkaar nodig; juist hierdoor ontstaan de synergetische effecten. Het samenwerkingsmodel is de sleutel naar een verdere verduurzaming: de industriële sector maakt gebruik van ‘goedkope’ elektriciteit die ontstaat door het groeiende aanbod en de duurzame sector krijgt een stabielere prijs voor elektriciteit. Verduurzaming verbindt sectoren, in plaats van dat ze uit elkaar gedreven worden.

Het resultaat van MDR is dat – mits op grote schaal toegepast – de fossiele brandstof (aardgas) blijft waar het zit: in de bodem. Hierdoor is MDR een indirecte manier van hoogwaardige energieopslag. Door ECN wordt het perspectief van MDR in combinatie met warmtepompen ingeschat op 2.000 MWe, wat correspondeert met een thermisch vermogen van circa 20 GW.

Het resultaat van MDR is dat bij een grootschalige toepassing aardgas in de bodem blijft. Zo is MDR een indirecte manier van hoogwaardige energieopslag

MDR en het Smart Delta Resources project

In het kader van het Smart Delta Resources project (Zeeland, West Brabant, Kanaalzone Terneuzen-Gent) hebben Zeeuwind, DOW Benelux (locatie Terneuzen) en DELTA Netwerkbedrijf (DNWB) de handen ineengeslagen - gefaciliteerd door de Zeeuwse ontwikkelingsmaatschappij Impuls. Eén van de resultaten van dit project is het initiatief om een pilot MDR installatie voor DOW uit te werken als onderdeel van een breder project onder de titel ‘Power to Products’. DOW heeft in Terneuzen substantiële overschotten lagedrukstoom. In samenwerking met Zeeuwind, DELTA Netwerkbedrijf en de Elsta warmtekrachtcentrale die DOW van stroom en stoom voorziet, wordt dit mooie initiatief vlot getrokken!