Alles wat u moet weten over geavanceerde hogetemperatuurverwarmingstechnologieën voor de industrie

Decarbonisatie van de industrie betekent decarbonisatie van elektriciteit en warmte. In principe kan de industrie haar elektriciteitsverbruik vrij gemakkelijk decarboniseren, door gewoon groene elektriciteit te kopen.

Warmte is de echte uitdaging. De industriële vraag naar warmte is ongelooflijk divers en loopt uiteen van iets boven de omgevingstemperatuur voor vloeistofverwarming tot meer dan 1400°C voor de staalproductie. En alleen al in de EU wordt meer dan 70% van de verwarming en koeling opgewekt met fossiele brandstoffen.

Laten we eens kijken naar warmte bij hoge temperaturen.

• Welke technologieën bestaan er?
• Wie kan ze gebruiken?
• Wat zijn de economische aspecten?
• Wat zijn de koppelingen met netwerk- en opslagtechnologieën?

Geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën

Er bestaan al verschillende geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën voor systemen met een hoge temperatuurvraag. Deze bieden een aantal voordelen, zoals snellere opwarming, hoger rendement en meer controle over het verwarmingsproces. Bovendien zijn ze milieuvriendelijker, wat een soort no-brainer is, aangezien u groene elektriciteit kunt gebruiken.

Enkele voorbeelden:

1. Weerstandsverwarming: Dit is een gebruikelijke verwarmingstechnologie waarbij een elektrische stroom door een materiaal met hoge weerstand wordt geleid, zoals een metaaldraad of een legering. De weerstand genereert warmte, die wordt gebruikt om het materiaal op te warmen. Met weerstandsverhitting kunnen temperaturen tot 1200°C worden bereikt.
2. Inductieverwarming: Deze verwarmingstechnologie maakt gebruik van elektromagnetische inductie om een materiaal op te warmen. Rond het materiaal wordt een wisselend magnetisch veld opgewekt, dat een elektrische stroom in het materiaal induceert, waardoor warmte wordt geproduceerd. Inductieverwarming kan worden gebruikt voor temperaturen tot 2500°C.
3. Infraroodverwarming: Infraroodverwarming maakt gebruik van infraroodstraling om een materiaal op te warmen. De infraroodstraling wordt geabsorbeerd door het materiaal, dat daardoor opwarmt. Infraroodverwarming kan worden gebruikt voor temperaturen tot 1000°C.
4. Microgolfverwarming: Microgolfstraling wordt gebruikt om een materiaal op te warmen. De microgolven dringen door in het materiaal en prikkelen de moleculen, waardoor warmte wordt geproduceerd. Microgolfverwarming kan worden gebruikt voor temperaturen tot 3000°C.
5. Grafeenverwarming: Dit is een relatief nieuwe verwarmingstechnologie waarbij grafeen wordt gebruikt om warmte op te wekken. Wanneer een elektrische stroom door grafeen wordt geleid, genereert de weerstand van het materiaal warmte. Grafeenverwarming kan worden gebruikt voor temperaturen tot 2000°C.
6. Koolstofnanobuisverwarming: Dit is een andere nieuwe verwarmingstechnologie waarbij koolstofnanobuizen worden gebruikt om warmte op te wekken. Wanneer een elektrische stroom door koolstofnanobuisjes wordt geleid, warmen zij op en genereren zij warmte. Koolstofnanobuisverwarming kan worden gebruikt voor temperaturen tot 3000°C.

Attentie

Als u een expert bent op het gebied van koolstofnanobuisverwarming, stuur me dan een bericht via juergen.ritzek(at)ee-ip.org.

Wij werken in een consortium aan oplossingen voor het CO2-vrij kraken van methaan waarbij koolstofnanobuisjes als bijproduct worden geproduceerd, voornamelijk gericht op gebruik voor batterijtoepassingen. Misschien is er een mogelijkheid om de toepassing uit te breiden?

Kijk voor meer informatie over dit project op https://storming-project.eu/

Industrieel gebruik cassen voor geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën

Er zijn al industriële toepassingen die zorgen voor een betere procesefficiëntie en een hogere productkwaliteit dankzij voordelen als nauwkeurige temperatuurregeling, uniforme verwarming of snelle verhitting. Zoals gezegd zijn de industriële warmtebehoeften ongelooflijk divers, zodat u waarschijnlijk in veel of alle sectoren zinvolle toepassingsmogelijkheden kunt vinden. Geen wonder dat u bij het zoeken naar sommige een lijst krijgt met de gebruikelijke verdachten. Hier zijn er drie:

Chemische industrie

De chemische industrie kent vele processen die verwarming bij hoge temperatuur vereisen, zoals polymerisatie, destillatie en reactieprocessen. Geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën bieden een nauwkeurige temperatuurregeling en snelle verwarmingssnelheden.

Glasindustrie

Glasproductie vereist warmte op hoge temperatuur voor smelten, vormen en gloeien. Infraroodverwarming en grafeenverwarming bieden een gelijkmatige verwarming en een nauwkeurige temperatuurregeling.

Voedingsindustrie

De voedingsindustrie vereist processen op hoge temperatuur voor voedselverwerking, zoals bakken, koken en steriliseren. Geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën kunnen een nauwkeurige temperatuurregeling en snelle verhitting bieden.

Economie - de olifant in de kamer

Een van mijn collega's, EEIP-voorzitter Rod Janssen, is dol op deze uitdrukking en heeft hem al een paar keer gebruikt wanneer hij het had over energie-efficiëntie in de industrie of in gebouwen. De hele Energy Efficiency Financial Institutions Group (EEFIG), een initiatief dat in 2013 is opgezet door de Europese Commissie (DG Energie) en UNEP FI, draait hier zelfs om.

Als het gaat om de economische aspecten van geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën voor systemen met een hoge temperatuurvraag, zullen de besluitvormers in de industrie deze vergelijken met de bestaande stand van de techniek van verwarmingssystemen op basis van fossiele brandstoffen. En dit is verre van eenvoudig, aangezien de economische aspecten door vele dimensies worden beïnvloed en de evaluatie ook wordt beïnvloed door factoren als risico of financiële KPI's die in een bepaald bedrijf worden gehanteerd.

Als we wat dieper ingaan op de economische aspecten, moeten we een onderscheid maken tussen de werkelijke kosten van elektriciteit en de kosten van fossiele brandstoffen, de verwachtingen ten aanzien van de toekomstige prijsontwikkeling, de regelgeving en de perceptie van de klant. Een andere manier om de twee te vergelijken is door de kapitaalkosten (CAPEX) en de operationele kosten (OPEX) in kaart te brengen.

Over het algemeen hebben geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën hogere kapitaalkosten dan verwarmingssystemen op fossiele basis. Zij hebben echter lagere bedrijfskosten door hun hogere efficiëntie en lagere onderhoudsvereisten. Bovendien stoten geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën geen broeikasgassen uit, zodat zij kosten in verband met koolstofheffingen of emissievoorschriften kunnen vermijden.

Uiteraard zijn de elektriciteitskosten een kritieke factor voor de economische levensvatbaarheid van geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën. Als elektriciteit duur is of voornamelijk met fossiele brandstoffen wordt opgewekt, zullen de bedrijfskosten van geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën hoger zijn dan die van verwarmingssystemen op basis van fossiele brandstoffen. Als de elektriciteit echter goedkoop is of met hernieuwbare energiebronnen wordt opgewekt, kunnen geavanceerde elektrische verwarmingstechnologieën kosteneffectiever zijn.

Andere factoren zijn het effect van schaalvoordelen zodra deze nieuwe technologieën op grote schaal worden toegepast, of de vereiste vaardigheden om dergelijke systemen op de werkvloer, maar ook op het niveau van digitalisering en procesbeheersing te bedienen.

Warmteopslag bij hoge temperatuur en netintegratie

Nieuwe oplossingen voor hogetemperatuurwarmteopslag en integratie met het energienet kunnen ook een rol spelen bij het verminderen van het risico van geavanceerde hogetemperatuurverwarmingssystemen en bij het verbeteren van het achterliggende bedrijfsmodel, bijvoorbeeld door deel te nemen aan markten voor netflexibiliteit.

Voor meer informatie over netflexibiliteitsmarkten, zie het OneNet-project. Het EEIP participeert in dit project vooral op het gebied van de betrokkenheid van industriële klanten.

Zonder veel in detail te treden, hier slechts een kort overzicht van wat ik bedoel met netintegratie:

1. Demand-Side Management: Verwarmingssystemen kunnen worden ingepland om te draaien tijdens daluren wanneer de vraag naar elektriciteit lager is, of ze kunnen worden uitgeschakeld tijdens perioden van grote vraag naar elektriciteit.
2. Energieopslag: Energieopslagsystemen kunnen worden gebruikt om overtollige elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen, zoals wind- of zonne-energie, op te slaan en zo nodig te gebruiken om verwarmingssystemen op hoge temperatuur aan te drijven.
3. Opslag op netniveau: Opslagsystemen op netniveau, zoals pompaccumulatie van waterkracht of perslucht, kunnen ook worden gebruikt om overtollige elektriciteit op te slaan die is opgewekt uit hernieuwbare energiebronnen.

En hier enkele voorbeelden van oplossingen voor warmteopslag bij hoge temperatuur die vandaag bestaan of waarschijnlijk binnenkort zullen ontstaan:

1. Opslag in gesmolten zout: Gesmolten zoutopslag is momenteel een van de meest voorkomende oplossingen voor warmteopslag bij hoge temperatuur. Het systeem slaat thermische energie op in de vorm van gesmolten zout, dat tot hoge temperaturen kan worden verhit en gebruikt om stoom op te wekken om turbines aan te drijven voor de opwekking van elektriciteit. Opslagsystemen met gesmolten zout worden gebruikt in grootschalige installaties voor geconcentreerde zonne-energie (CSP) en worden ook onderzocht voor gebruik in industriële toepassingen.
2. Thermische energieopslag met materialen die van fase veranderen (PCM's): Thermische energieopslag met materialen met faseverandering (PCM's) is een andere oplossing voor warmteopslag bij hoge temperatuur die aan populariteit wint. PCM's kunnen thermische energie absorberen en afgeven tijdens faseovergangen, zoals smelten of stollen. Deze technologie wordt onderzocht voor gebruik in gebouwen en industriële toepassingen.
3. Opslag van thermische energie met keramische materialen: Keramische materialen kunnen ook worden gebruikt voor warmteopslag bij hoge temperatuur. De keramische materialen kunnen thermische energie opslaan door warmte te absorberen en af te geven tijdens faseveranderingen. Keramische systemen voor thermische energieopslag worden ontwikkeld voor gebruik in CSP-centrales en industriële toepassingen.
4. Opslag van energie in vliegwielen: Vliegwiel energieopslagsystemen worden ontwikkeld voor warmteopslag bij hoge temperatuur. Het systeem slaat kinetische energie op in de vorm van een draaiend vliegwiel. Het systeem kan de opgeslagen energie vrijgeven als elektriciteit of als thermische energie. Vliegwiel- energieopslagsystemen worden ontwikkeld voor gebruik in CSP-centrales en andere industriële toepassingen.
5. Opslag van energie uit vloeibaar metaal: Energieopslagsystemen met vloeibaar metaal zijn een relatief nieuwe technologie die wordt ontwikkeld voor warmteopslag bij hoge temperatuur. Het systeem slaat thermische energie op in de vorm van vloeibaar metaal, dat tot hoge temperaturen kan worden verhit en gebruikt om stoom te produceren voor turbines die elektriciteit opwekken. Energieopslagsystemen met vloeibaar metaal worden ontwikkeld voor gebruik in CSP-centrales en andere industriële toepassingen.
6. Onderzoeksniveau: Hoge-temperatuur-supergeleiders voor energieopslag
7. Onderzoeksniveau: Nanomaterialen voor thermische energieopslag

Aangezien de decarbonisatie van warmte bij hoge temperatuur zo'n belangrijk (en uitdagend) onderwerp is, ontvangen wij graag uw feedback en inbreng.

Als u nog meer oplossingen of use cases weet, stuur me dan een bericht via juergen.ritzek(at)ee-ip.org.

Als u uw eigen oplossingen of ideeën wilt publiceren, neem dan gerust deel aan het EEIP-schrijversnetwerk en wij publiceren uw artikelen in 7 talen op het EEIP-platform. Het is een gratis dienst.