Hoe kan er warmte uit koelinstallaties gehaald worden?

Warmterecuperatie is de toekomst van koeltechniek

Ook in koude-installaties komt er nog heel wat warmte vrij. Warmte die nog van nut kan zijn op voorwaarde dat er een mogelijke toepassing voor is en dat er energetisch rendement goed blijft. De AP Hogeschool Antwerpen werkt al langer rond dit thema. Daar hebben ze een proefinstallatie ontworpen waarbij warmte geleverd wordt in functie van de vraag. CoolTechnics had een gesprek met project­coördinator en docent Elektromechanica Klimatisatie – energiemanagement Bert Verhasselt over de mogelijkheden van warmterecuperatie voor koel- en vries­installaties.

Warmte in een koelinstallatie? Hoezo?

Koeling kan op verschillende manieren gebeuren: via compressie, absorptie of thermo-elektrisch. De meest toegepaste techniek is compressie. Een compressor zal koelmiddel in gasvorm uit de verdamper zuigen, op hoge druk brengen en vervolgens naar een condensator afvoeren. Daar geeft het koelmiddel zijn warmte af en wordt het weer vloeibaar. Het koelmiddel gaat dan naar een expansieventiel, waar de druk plotseling wordt gereduceerd, met als gevolg dat de vloeistof begint te koken en verdampt. Dit verdampen gebeurt in de verdamper. Hierbij wordt er in feite warmte onttrokken, wat zorgt voor het koeleffect. Van hieruit gaat het weer naar de compressor. Er is met andere woorden sprake van een gesloten circuit. Bij elke stap in dit proces waarbij er een druktrap is, ontstaat er arbeid, oftewel warmte. Traditioneel komt het meeste warmte vrij na de compressie en is dat de meest aangewezen plaats voor warmterecuperatie, maar het kan dus in principe overal waar er een temperatuurverschil is tussen de beschikbare warmte en de nuttige te gebruiken warmte. In de praktijk gebeurt de warmterecuperatie voornamelijk na de compressor.

Voor welke toepassingen kan de warmte dienen?

In principe kan alle warmte die vrijkomt, gerecupereerd worden. In de praktijk zal het percentage warmte dat achteraf een nuttige toepassing krijgt, vooral afhangen van het niveau van de warmte. Dat zal met andere woorden enorm afhankelijk zijn van de calo­rische waarde van warmte. Hoe hoger de temperatuur, hoe interessanter het mogelijke vervolgtraject. Maar hou vooral rekening met welke warmtevragen er in de directe omgeving zijn en welke eisen ze stellen qua temperatuurniveau. Is er bijvoorbeeld een warmtenet in de buurt? Of moet het enkel dienen voor sanitair water? Hoe minder de warmte die vrijkomt, opgetransformeerd of getransporteerd moet worden, hoe beter het rendement zal zijn. Naast warmte kan men in feite ook koude recupereren uit een koelinstallatie. Dit komt eigenlijk meer neer op het laten accumuleren van restkoude in ijswaterbatterijen. Hiermee kan dan op piekmomenten aan een grotere koelvraag voldaan worden. Dit vindt echter weinig toepassing.

Aan welke voorwaarden moet de compressor voldoen?

Om de gewenste temperatuur te halen, zal de druk opgebouwd moeten worden. Voor een toepassing met sanitair warm water is er bijvoorbeeld een temperatuur van 60 °C nodig. Dan zal de compressor de druk zo­danig moeten kunnen opbouwen dat er in het medium een temperatuur van boven de 60 °C gehaald wordt, zodat mogelijke verliezen wat gecompenseerd worden. In een gangbare koelinstallatie zal de compressor onvoldoende warmte afgeven.

De compressor zal het moeten aankunnen om de druk verder op te bouwen om de juiste temperatuur te halen op een energetisch verantwoorde manier. En hij zal dat ook moeten kunnen wanneer de buitentemperatuur daalt. Men kan immers ook zodanig veel energie gebruiken om de warmte te recupereren dat het niet meer zinvol is. Het vermogen speelt daarin een rol, maar meer bepalend is het massadebiet. Dat zal uitmaken hoeveel warmte er precies gerecupereerd kan worden. Een nieuwe compressortechnologie met magnetische lagering lijkt veelbelovend om energetisch beter te scoren, maar laat dan weer minder warmterecuperatie toe. Het is dus altijd zoeken naar een verantwoord evenwicht om de compressor te optimaliseren in functie van de warmtevraag. Daarom wordt vandaag al in de ontwerpfase van een koelinstallatie gekeken waar er mogelijkheden liggen voor warmterecuperatie voor een juiste dimensio­nering. Toch kan warmterecuperatie ook een­voudig in bestaande installaties geïntegreerd worden.

Welk koudemiddel moet er gebruikt worden?

In principe liggen er mogelijkheden voor warmterecuperatie bij elk koelmiddel. Het is zaak te kijken welke warmtevraag er precies is en van welk niveau die is. De interessantste toepassingen zijn, zoals eerder vermeld, degene waarbij men aan een hoge calorische warmtevraag kan voldoen. Natuurlijke koudemiddelen zoals CO2 en ammoniak lenen zich hier bij uitstek toe. Bij ammoniak kan men zelfs kijken naar toepassingen tot 170 °C. De klassieke hfk’s zullen eerder voor een lagere warmtevraag dienen.

IS VRAAGGESTUURDE RECUPERATIE VAN WARMTE MOGELIJK?

Warmterecuperatie bij koelinstallaties is niet nieuw. De industrie verkent vandaag volop welke mogelijkheden er liggen. Het team van Bert Verhasselt wilde echter de volgende stap zetten door warmte te laten leveren in functie van de vraag, wat net in industriële processen van meerwaarde kan zijn. Maar dan wel op een zo energetisch mogelijke manier. “Industriële toepassingen vragen om een afvalwarmte van minimaal 80 à 85 °C”, opent Bert Verhasselt. “Door CO2 als koelmiddel te gebruiken is het mogelijk om aan een hogere verdampingswaarde te geraken. Dat kan omdat CO2 vanaf 30 °C in een transkritisch gebied kan zitten. Als al het gas in de gasfase zit, kan er geen gas meer bij. Door de druk op te voeren zal het daarentegen heter worden, waarbij in de condensor temperaturen tot zelfs 140 °C mogelijk worden. Met andere woorden, wanneer de warmtevraag groter is, verhogen we de druk, wanneer ze daalt, zakt ook de druk weer. Daarnaast kan ook gespeeld worden met de buitentemperatuur, de koelvraag, de vriesvraag en de ventilatorsnelheid. Op die manier kunnen we de configuratie aanbieden die de meest zuinige COP oplevert.” In een vervolgproject wil men er nog de factor energieopwekking bijnemen door gebruik te maken van expandertechnologie.

Hoe kan de restwarmte gerecupereerd worden?

Warmte doorgeven met warmtewisselaar

Traditioneel gebeurt dit met een warmtewisselaar. Het medium zal in de warmtewisselaar zijn warmte afgeven. Een bijzonder betrouwbare methode die ook een lange levensduur kent. Warmtewisselaars bestaan in verschillende principes (kruisstroom, meestroom, tegenstroom …), formaten en materialen, zodat quasi alle toepassingen afgedekt kunnen worden. Twee bepalende factoren in de keuze van de warmtewisselaar zijn de inbouwhoogte en zijn vermogen. Het is zaak het drukverschil zo klein mogelijk te houden in de warmtewisselaar voor een zo hoog mogelijke efficiëntie. Het medium zal bepalen wat de beste mate­riaalkeuze is voor de warmtewisselaar. Water uit de Schelde vraagt vanzelfsprekend om een ander materiaal dan een agressieve stof in een chemisch proces. Een tussenstap kan soms nodig zijn.

Opslag in buffer

Omdat de warmtevraag bijna nooit helemaal overeenstemt met het moment van recuperatie en een koelinstallatie niet volcontinu draait, zal restwarmte in de meeste gevallen opgeslagen worden. De grootte van de buffer is afhankelijk van de warmtevraag. De meest voor de hand liggende mogelijkheid is een buffervat, dat uit hetzelfde medium bestaat als in de warmte­wisselaar. Water en thermische olie zijn populaire keuzes, maar ook phase-changing materials (PCM’s) zijn een optie. Dit zijn materialen waarvan de faseverandering van vast naar vloeibaar en omgekeerd wordt gebruikt om warmte op te slaan en af te staan. Wanneer PCM’s in een goed geïsoleerde buffer worden opgeslagen, kan de latente warmte behouden worden. Theoretisch kan alle warmte worden opgeslagen, maar hou rekening met verliezen in de leidingen (afhankelijk van het isolerende vermogen) en stilstandverliezen.

Welk medium?

Door zijn fysische eigenschappen en zijn grote soortelijke warmte zal men in de mate van het mogelijke water toepassen om de warmte te recupereren. Maar wanneer er met temperaturen boven het kookpunt gewerkt wordt, dan zal water geen optie meer zijn en verdient een ander medium de voorkeur. Thermische olie, bijvoorbeeld. Voor toepassingen onder het vriespunt kan men additieven toevoegen.

Warmteverliezen beperken

Om de verliezen zo beperkt mogelijk te houden, kan men het best met vier factoren rekening houden bij het ontwerp van een koelinstallatie voor warmterecuperatie.

• Afstand: hoe meer afstand er afgelegd moet worden naar de toepassing met de warmtevraag, hoe meer verliezen er kunnen optreden in de leidingen.

• De ruimte: hou ook rekening met de ruimtes die het medium zal moeten doorkruisen op weg naar zijn eindbestemming. Over welke ruimtes gaat het en welke condities heersen er? Zijn er koelcellen of vriescellen bij?

• Isolatie: hoe goed zijn de buffervaten en de leidingen geïsoleerd? Dat kan het verschil maken om enkele percentjes hogere warmte te recupereren.

• Kwaliteit: de kwaliteit van vooral de warmtewisselaar zal bepalen hoeveel druk- en temperatuurverlies er optreedt.

Toekomst van warmterecuperatie

Men kan warmte ook opwaarderen om er energie van te maken. Het eenvoudigste blijft echter voldoen aan een warmtevraag. Als die er is, kan men het best daarvan gebruikmaken, omdat de verliezen dan het kleinst zullen zijn. Als die warmtevraag ontbreekt, kan het wel interessant zijn om te onderzoeken of het zou lonen om op te schalen.

Wkk-installaties (warme-krachtkoppeling) zijn dan bijvoorbeeld een populaire optie in de industrie vandaag, omdat bedrijven dan in aanmerking komen voor warmte-krachtcertificaten. Subsidies dus. Daarnaast zijn WKO-systemen (warmte-koudeopslag) in opmars. Dan wordt de warmte opgeslagen in de bodem in de zomer, om dan in de winter het bedrijfsgebouw te verwarmen. Omgekeerd wordt de in de winter opgeslagen koude in de zomer toegepast voor koeling. Maar de technologie zit niet stil. Er zijn ook al nieuwe pistes in het verschiet die de rendementsverliezen nog meer proberen te beperken om van elektriciteit de betere optie te maken.

ORC-technologie

ORC staat voor Organic Ranking Cyclus. Hierbij wordt gebruikgemaakt van een organisch oplosmiddel zoals propaan, isobutaan, isopentaan of ammoniak in plaats van stoom. Dit heeft een lager kookpunt dan water. Het drukverschil laat een turbine draaien, waardoor er energie gehaald kan worden uit een lagere temperatuur. Dit wordt momenteel al volop uitgerold in de industrie.

Expandertechnologie

Expandertechnologie staat daarentegen nog meer in de onderzoeksfase. Er wordt gebruikgemaakt van CO2. In plaats van het expansieventiel komt er in het koelcircuit dan een expansieturbine. Die zal de energie van het hogedrukgas, CO2 dus in dit geval, omzetten in mechanische energie. De AP Hogeschool heeft nu de turbineontwikkeling klaar. Het onderzoek spitst zich nu toe op het ontwikkelen van het juiste regelalgoritme voor een efficiënt gebruik. Deze technologie zou binnen twee jaar industrieel marktrijp moeten zijn.

Conclusie

De recuperatie van restwarmte uit koelinstal­laties is momenteel hot. Uit duurzaamheidsoverwegingen, maar ook wegens de kosten die men kan besparen. Men moet wel altijd voor ogen houden dat met elke kW energie die je eraan moet toevoegen om de warmte te kunnen recupereren, het rendement van de investering zal dalen. Dat is zeker van belang voor wie de omzetting naar energie wil maken. Maar met de komst van de batterij­opslag kan ook daar een nieuwe wereld opengaan. Technologie gaat met rasse schreden vooruit om de verliezen te beperken en het rendement te verhogen. Warmterecuperatie zal sowieso de toekomst van koeltechniek zijn.