Circulaire economieKleine systemen, grote voordelen
Samenvatting
Stijgende gasprijzen en hogere koolstofkosten drijven de vraag naar afvalwarmteterugwinning op. ETEKINA heeft drie heat pipe-afvalwarmtewisselaars ontworpen. Zij hebben meer dan één megawatt vermogen geïnstalleerd. De eenheden op laboschaal zijn zeer schaalbaar en zullen van nut zijn voor de toekomstige ontwikkeling van meer warmteterugwinningsinstallaties. Bovendien kunnen ze worden gebruikt om ervoor te zorgen dat het uiteindelijke systeem geen invloed heeft op de bestaande productieprocessen van een faciliteit. Deze units geven een zeer belangrijk inzicht in de werking van een systeem en de controleerbaarheid ervan. Tot hun genoegen stelden de ingenieurs vast dat er grote hoeveelheden watercondensatie ontstonden die gerecupereerd konden worden om het energieverbruik verder te verlagen en de energie-efficiëntie te verhogen.
Open volledig artikel
Kleine systemen, grote voordelen
Hoe de heat pipe warmtewisselaars, ontworpen door ETEKINA partners, vorm geven aan de afvalwarmteterugwinningssystemen van de toekomst.
Begin februari van dit jaar bereikten de koolstofkosten recordhoogten met cijfers voor een ton koolstofdioxide-uitstoot die de €95 benaderden. Sindsdien is de door de EU-regeling voor de handel in emissierechten opgelegde boete voor vervuiling weliswaar gedaald, maar de koolstofkosten liggen nog steeds tientallen euro's hoger dan in het verleden, en dat in een tijd waarin de aardgasprijzen ook al om te huilen zijn.
De gevolgen voor projecten voor de terugwinning van afvalwarmte, zoals ETEKINA, zijn ingrijpend. Mark Boocock, algemeen directeur van Econotherm, VK, benadrukt: "Stijgende gasprijzen en hogere koolstofkosten drijven de vraag naar afvalwarmteterugwinning wereldwijd aanzienlijk op."
"Energieprojecten die in het verleden met moeite konden worden goedgekeurd, vliegen er nu doorheen en we zien ook dat veel bedrijven zich meer richten op milieubeheer", voegt hij eraan toe. "We hebben gezien dat veel wereldwijde bedrijven warmteterugwinning in bestaande faciliteiten implementeren, terwijl ze het ook verplicht stellen in nieuwe faciliteiten - dit is een geweldige tijd voor projecten zoals ETEKINA."
Boocock is vanaf het begin betrokken geweest bij ETEKINA en heeft nauw samengewerkt met de wetenschappelijke coördinator van het project, professor Hussam Jouhara van de Brunel University London. Jouhara leidde het ontwerp van de drie heat pipe-afvalwarmteterugwinningssystemen van het project, terwijl Boocock en Econotherm-collega's de systemen fabriceerden en installeerden in de productielijn voor aluminiumlegeringen van Fagor Ederlan in Spanje, de staalfabriek SIJ Metal Ravne in Slovenië en de keramiekproductiefabriek Atlas Concorde in Italië.
Zowel Jouhara als Boocock zijn opgetogen over de projectresultaten. De oorspronkelijke doelstelling van ETEKINA was om in elke fabriek 40% van de afvalwarmte in de uitlaatgassen terug te winnen - na vier jaar hebben alle sites deze doelstelling overtroffen. "Met alle drie de heat pipe-systemen hebben we meer dan een megawatt aan vermogen geïnstalleerd", benadrukt Jouhara. "Na ons succes dragen we het nu volledig over aan Econotherm, dat deze systemen over de hele wereld zal kunnen repliceren."
Het juiste doen met eenheden op laboratoriumschaal
Een cruciaal onderdeel van het ETEKINA-project was de ontwikkeling van drie HPHE-eenheden (Heat Pipe Heat Exchanger) op laboratoriumschaal bij Brunel, om HPHE-modellen te valideren en ook om te dienen als testbanken voor de eenheden op ware schaal die geïnstalleerd zouden worden op de drie sites in Spanje, Slovenië en Italië. Volgens Jouhara stelden hij en zijn collega's algemene thermische modellen op voor de warmtewisselaars, terwijl ze ook bijkomende modellen uitvoerden om de complexe ontwerpen van de units te optimaliseren. Deze modellen werden getest op de eenheden op laboratoriumschaal.
Er werd bijvoorbeeld gebruik gemaakt van computationele vloeistofdynamica om de uitlaatgasstroom in de keramische fabriek van Atlas Concorde in Italië te modelleren en ervoor te zorgen dat zware deeltjes in het gas bleven zweven terwijl het door het systeem stroomde. "Als de gasstroom in de warmtewisselaar zou stagneren, zouden deze zware deeltjes zich kunnen afzetten, ophopen en uiteindelijk het systeem blokkeren", legt Jouhara uit. "Daarom hebben we een aantal innovatieve ontwerpen ontwikkeld [om afzetting van deeltjes te voorkomen] en deze getest in het systeem op laboratoriumschaal."
Tijdens hun vroege modellering en tests realiseerden de ingenieurs zich ook dat zelfs als deze deeltjes tijdens de gasstroom in suspensie zouden blijven, ze zich toch aan de pijpwanden zouden hechten wanneer de uitlaatgastemperatuur onder een bepaald niveau daalt. Daarom voegden ze gemakkelijk toegankelijke inspectieluiken toe aan het uiteindelijke systeem, zodat de deeltjes bij regelmatig onderhoud konden worden verwijderd.
"We waren in staat om dit ontwerp [met de deuren] in-situ te valideren bij Atlas Concorde, wat verbazingwekkend was," zegt Jouhara. "De eenheden op laboschaal zorgden ervoor dat eventuele vroege haperingen werden opgepikt."
Zowel Jouhara als Boocock benadrukken ook dat de laboschaalunits zeer schaalbaar zijn en zullen bijdragen tot de toekomstige ontwikkeling van meer warmteterugwinningsinstallaties over de hele wereld. Bovendien kunnen ze worden gebruikt om ervoor te zorgen dat het uiteindelijke systeem geen invloed heeft op de bestaande productieprocessen van een faciliteit.
"De implementatie van een conventioneel, of niet-warmtepijp, afvalwarmteterugwinningssysteem kan veel voordelen opleveren, maar er is altijd het risico dat het de productie kan verstoren - alle winst gaat snel verloren als een storing in de warmtewisselaar de productie onderbreekt," zegt Boocock. "Maar als je kijkt naar onze drie installaties - deze zijn onzichtbaar voor de productieprocessen, maar hebben een enorme impact gehad op het energieverbruik en de efficiëntie."
Meer manieren met afvalwarmte
In de toekomst zullen de units op laboratoriumschaal van cruciaal belang zijn voor het ontwerp van toekomstige HPHE-systemen. Zoals Jouhara opmerkt: "[Deze units] kunnen ons een heel belangrijk inzicht verschaffen in de werking van een systeem en de controleerbaarheid ervan."
En het is verheugend dat Jouhara en Boocock deze kennis en de vele lessen die ze tijdens ETEKINA hebben geleerd, nu al in andere projecten toepassen. Tijdens hun bezoek aan de keramiekfabriek Atlas Concorde merkten de ingenieurs dat er grote hoeveelheden watercondensatie ontstonden, waarvan ze zich realiseerden dat die konden worden gerecupereerd om het energieverbruik verder te verlagen en de energie-efficiëntie te verhogen. Het door de EU gefinancierde project, Innovative Water Recovery Solutions through Recycling of Heat, Materials and Water across Multi-sectors - iWAYS - is sindsdien van start gegaan om op heat-pipe gebaseerde technologieën te ontwikkelen voor industriële processen, om water en warmte terug te winnen uit uitlaatgassen.
"Ik zie ETEKINA als het moederproject van iWAYS, en we zijn nu onze technologieën aan het uitbreiden om de latente warmte terug te winnen en het water te recycleren uit de uitlaatgassen van Atlas Concorde en andere faciliteiten," zegt Jouhara. "Ons succesverhaal stopt dus niet bij de producten die we bij ETEKINA hebben ontwikkeld - we tillen ze nu naar een hoger niveau en zullen de afvalwarmteterugwinningssystemen van de toekomst drastisch veranderen".
