Hoe de terugwinning van afvalwarmte de landschappen zal veranderen

Elk jaar laten industrieën in heel Europa een waardevolle bron van warmte-energie gewoon uit hun schoorsteen ontsnappen. Een door de EU gefinancierd project genaamd ETEKINA heeft een decennia-oude technologie, heat pipe-warmtewisselaars genaamd, opnieuw uitgedacht zodat bedrijven de warmte die ze genereren opnieuw kunnen gebruiken. Tot dusver hebben drie vestigingen die de prototypetechnologie hebben geïnstalleerd, hun brandstofkosten met 40% doen dalen - een aluminiumgieterij in Spanje (Fagor Ederlan), een staalfabriek in Slovenië (SIJ Metal Ravne) en een keramiekproducent in Italië (Atlas Concorde).

Hussam Jouhara, een professor in Thermal Engineering aan de Brunel University London is de technische coördinator van het project en deelde zijn gedachten over het project met ESCI.

Interviewer: Professor Jouhara, u en het team in het ETEKINA-project hebben een manier gevonden om een nieuw type warmtewisselaar toe te voegen om warmte van het ene industriële proces terug te winnen en opnieuw te gebruiken in een ander deel van de fabriek. Wat is de kern van deze technologie?

Hussam Jouhara: Een heat pipe is een thermische supergeleider. Het belangrijkste is dat je geen vloeistof hoeft te forceren met pompen of vloeistofleidingen tussen de warme en koude regio's om het warmteoverdrachtsproces te vergemakkelijken. De heat pipe zelf kan dat op een passieve manier doen, zolang je het maar toegang geeft tot de warme en de koude stroom onder de juiste warmteoverdrachtscondities.

Als je het systeem van buitenaf bekijkt, ziet het er vrij eenvoudig uit. Er zitten buizen tussen twee kamers, en deze buizen absorberen gewoon de warmte en geven die af aan de plaats waar ze nodig is. Maar als je dieper in elke buis kijkt, heb je te maken met een zeer complexe wetenschap. Je hebt te maken met warmteoverdracht in twee fasen - vloeistof die van fase verandert van vloeistof naar damp en in het proces de latente warmte meeneemt om die af te geven aan het condensorgedeelte waar deze damp condenseert, die vervolgens de verwarmingsvloeistof verwarmt.

Kunt u enkele voorbeelden geven van de verschillende vloeistoffen die u mogelijk gebruikt of de verschillende materialen?

In het ETEKINA-project hebben we twee vloeistoffen gebruikt in die heat pipe-systemen. Eén vloeistof is ultrazuiver water. Maar bij toepassingen met hoge temperaturen hebben we ook vloeistoffen die effectief kunnen worden gebruikt binnenin de warmtewisselaar zelf om de warmtepijpen veilig te laten functioneren. Aangezien deze vloeistoffen binnen het systeem opgesloten zijn, wordt er slechts een kleine hoeveelheid van gebruikt.

Het ETEKINA-project is vier jaar geleden van start gegaan. Wat was uw bedoeling met het project? Hoe bent u op dit idee gekomen?

Het idee om het ETEKINA-project op te zetten was eigenlijk gewoon om het belang en het potentieel van de heat pipe-technologie aan te tonen en hoe die kan worden gebruikt om afvalwarmte te recupereren uit zeer moeilijke stromen die andere conventionele systemen niet konden recupereren en om de gerecupereerde warmte te hergebruiken in de fabriek zelf. Dit leidt vervolgens tot een vermindering van de koolstofvoetafdruk van de installatie, een vermindering van de energievraag en een verbetering van de energie-efficiëntie van de installatie in het algemeen.

Ik denk ook dat ETEKINA een bijdrage levert door de efficiëntie van deze systemen te verbeteren, met behulp van de juiste technologie die dat mogelijk maakt. De doelstelling voor ETEKINA was 40 procent terugwinning van de beschikbare warmte die uit de uitlaatgassen wordt verspild. Het verheugt mij te kunnen zeggen dat het consortium er na vier jaar en na de installatie van de drie eenheden in geslaagd is de 40 procent als minimum te halen.

We zitten er zelfs boven in alle drie de demonstratiegevallen. Dit is iets wat met genoegen kan worden gemeld, en het is een succes voor het hele consortium.

De andere bedoeling was om een hoog TRL heat pipe warmtewisselaar ontwerp af te leveren dat direct geleverd kan worden aan de bredere industriële gemeenschap. Bovendien hebben de bij dit project betrokken OTO's systeemmodelleringsmogelijkheden ontwikkeld die elke geïnteresseerde industrie kunnen helpen bij het modelleren van verschillende opties voor de terugwinning van afvalwarmte om een zo hoog mogelijk thermisch rendement te bereiken.

Ik denk dat het een kritische vraag is - hoe komt het dat we nu pas in staat zijn om deze heat pipe-technologie te ontwerpen, te bouwen en toe te passen? Het principe is ongeveer veertig jaar oud .

Je moet een goed begrip hebben van de chemie. Je moet de materiaalkunde begrijpen. Je moet een goed begrip hebben van de business case om er zeker van te zijn dat dit iets is dat zakelijk zinvol is voor elk bedrijf dat het gaat gebruiken. U moet ook de zeer complexe verschijnselen van warmteoverdracht begrijpen; voornamelijk twee-fasen overdracht, twee-fasen stroming, complexe termen. Je moet de kennis van al deze zaken combineren om de vereisten voor het ontwerp te begrijpen.

En het was een waar genoegen om nauw samen te werken met ons productiebedrijf in Wales in het Verenigd Koninkrijk om de mogelijkheden voor de productie van deze heat pipes te ontwikkelen. We ontwerpen samen het fabricageproces en de installatie.

Kunt u enkele voorbeelden geven van waar de heat pipe-technologie volgens u mee te maken krijgt, bijvoorbeeld de stalen behuizing? Weet u met wat voor temperaturen we te maken hebben? Wat is de situatie in een staaloven?

We hebben een demovoorbeeld in Italië - de keramiekproducent Atlas Concorde - en de eis is om warm water onder hoge druk te leveren tot honderdzeventig graden voor gebruik in het proces zelf op verschillende plaatsen. En dit water zal worden verwarmd met de afvalwarmte die wij uit onze warmtewisselaar hebben teruggewonnen.

Het unieke aan de door ons gebouwde warmtewisselaar is dat de uitlaatgasstroom door een gedeelte loopt dat bijna onder atmosferische druk staat. Er is dus geen echte investering nodig voor hogedrukapparatuur op de uitlaatstroom, wat het systeem kosteneffectief maakt. Bovendien hebben we de vervuiling die te verwachten is als gevolg van de deeltjesbelasting in dit uitlaatgas onder controle.

De staalfabriek SIJ Metal Ravne in Slovenië heeft behoefte aan meerdere koellichamen. De warmteputvloeistoffen zijn de vloeistoffen die worden verwarmd met de warmte die wordt teruggewonnen. In Slovenië had de eenheid daar dus twee koellichamen. De eerste wint de warmte terug van een uitlaat met hoge temperatuur die binnenkomt, en deze warmte wordt rechtstreeks gebruikt voor het voorverwarmen van de lucht die in de verbrandingskamer wordt gebruikt, wat rechtstreeks zal leiden tot een verlaging van de brandstof die wordt gebruikt om ze de temperatuur te geven die ze in het proces nodig hebben.

Deze uitlaatgassen zullen dat gedeelte verlaten met ook genoeg energie die kan worden teruggewonnen om water tot 90 graden te verwarmen. Het bedrijf hergebruikt niet alleen de warmte, die het terugwint. Het exporteert ook energie naar de wijde omgeving, waardoor het meer geïntegreerd is met de gemeenschap.

De productielijn voor aluminiumlegeringen van Fagor Ederlan in Spanje, de eenheid in een van onze partnerfaciliteiten, heeft te maken met zeer hoge temperaturen. Hoge temperaturen die gewoonlijk zeer complexe ontwerpen en een zeer iteratieve aanpak vereisen om ervoor te zorgen dat er onder geen enkele omstandigheid kruisbesmetting tussen de twee stromen optreedt, en dat je de hoge temperatuur beheert om het proces hoge temperatuurwarmte en vloeistof te geven die ze in het proces kunnen gebruiken. Dat is iets wat we in ETEKINA op een kosteneffectieve manier hebben gedaan en de eenheid met succes hebben geïnstalleerd.

Elk van de units die we in dit project hebben geleverd, ging op een specifieke manier om met een complexe en uitdagende uitlaatgasstroom. Dat is wat zo uniek is aan de heat pipe-technologie. Het kan oplossingen leveren voor complexe scenario's.

Ook vanuit het oogpunt van de investeerder heb je verbazingwekkende cijfers.

In dit project is het niet alleen een academische uitdaging. Het is een toegepast project. We moesten drie systemen leveren met een return on investment cijfer binnen 24 maanden of minder. Anders kunnen we de bredere industrie er niet van overtuigen om het aan te nemen.

Daarom was, zoals u al zei, de business case voor de units nogal verbazingwekkend, en de validatie kwam van de gegevens die we tot nu toe hebben verzameld. We bereiken ons doel als deze eenheden worden geïnstalleerd of ontworpen voor een soortgelijk proces overal in Europa of wereldwijd.

Dus, wat is het volgende? Gaan we de wereld redden met deze technologie?

Nou, ik hoop van wel. Het punt is dat in Europa, als je aan ons continent denkt, de kosten van emissies tegenwoordig extreem hoog zijn. Het interessante aan dit project is dat we ons halverwege ETEKINA en tijdens het uitvoeren van enkele experimenten op een van de sites realiseerden dat we nog meer dingen met deze technologie konden doen.

Terwijl we aan dit project werkten en met zeer bekwame partners samenwerkten, kwamen we op een ander idee dat we nu in een ander project aan het onderzoeken zijn. En dat project zal hopelijk opnieuw de wereld redden, omdat het niet alleen de verspilde warmte zal terugwinnen, maar ook afvalwater.

En wat voor exploitatie ziet u voor ETEKINA op een commercieel niveau?

We hebben nu een technologie die zich op het juiste technology readiness level (TRL) bevindt, waardoor de fabrikant in dit geval, Econotherm, veel bredere markten kan aanboren om deze units op het juiste business case-niveau aan industrieën te leveren.

Je kunt nog steeds schoorstenen zien die dampen uitstoten. Het zegt je dat er iets anders is dat we kunnen doen, en er is iets dat we kunnen doen om die schoorstenen te elimineren en alles in de installatie zelf te recycleren, wat geen droom is. Het kan werkelijkheid worden met de juiste aanpak.

Wat voor impact heeft ETEKINA op de academische wereld?

We hadden ons tot doel gesteld nieuwe oplossingen te leveren voor gevestigde, toonaangevende industrieën in hun vakgebied. Maar parallel daaraan werken we samen als universiteiten en onderzoeksinstellingen.

We hebben bijvoorbeeld nieuwe modelleercapaciteiten ontwikkeld. Gewoonlijk vergen deze modelleringsmogelijkheden zeer duur onderzoek. Dat wil zeggen, als het in het laboratorium moet worden gedaan, zou het extreem duur zijn om dat onderzoek te kunnen doen en IT-apparatuur te gebruiken. En we hebben deze laten publiceren.

Deze zijn nu beschikbaar voor de bredere onderzoeksgemeenschap overal ter wereld die toegang heeft tot deze artikelen. Dat maakt ETEKINA even nuttig voor de academische wereld als het nuttig was voor de industriële sector.