Vier jonge wetenschappers praten over de toekomst van warmteterugwinning

Op de weg naar duurzaamheid staan energie-intensieve industrieën voor enorme uitdagingen - de terugwinning van afvalwarmte is een van de meest veelbelovende opties om energie te besparen, een circulaire economie te voeden en voor groen te gaan. Gedurende meer dan drie jaar heeft een groep wetenschappers in vier Europese landen gewerkt aan het ETEKINA project om een ongelooflijk efficiënte technologie uit te vinden voor het terugwinnen en hergebruiken van overtollige warmte.

Binnen het ETEKINA-project hebben onderzoekers drie nieuwe heat pipe warmtewisselaars (HPHE) ontwikkeld om de specifieke uitdagingen van verschillende energie-intensieve industrieën aan te pakken. Nu, slechts enkele maanden voor de voltooiing van het EU-project, kwamen vier van de jongste geesten die bij dit project betrokken waren vorige maand bijeen voor een videogesprek om hun gedachten en verwachtingen te delen over de impact die zij verwachten van de innovatieve HPHE's in sectoren die tot de grootste koolstofvoetafdruk ter wereld behoren.

Hun namen zijn Matevz Pusnik, Nerea Nieto, Lujean Ahmad en Matteo Venturelli. De vier zijn het erover eens dat een van de meest waardevolle kenmerken van het project de creatie is van een revolutionair instrument dat ten goede zal komen aan energie-intensieve industrieën met een onaangeboord potentieel om restwarmte te hergebruiken. "De HPHE is een compacte en robuuste oplossing voor energie-intensieve industrieën op een moment dat het gebruik van afvalwarmte wereldwijd een hot topic is", zegt Matevz. "En het is zeer innovatief."

De HPHE van ETEKINA zijn ontworpen met het doel om tussen 57% en 70% van de afvalwarmtestromen terug te winnen in drie specifieke sectoren: staal, aluminium en keramiek. De onderzoekers verwachten dat HPHE zal bijdragen aan het momentum dat aan het ontstaan is rond systemen voor het gebruik van afvalwarmte - naarmate het bewustzijn van de klimaatverandering groeit, groeit ook de wereldwijde markt voor technologieën voor de terugwinning van afvalwarmte. Naar verwachting zal deze sector de komende jaren jaarlijks met 6% groeien tot 16,8 miljard dollar in 2023, aldus marktonderzoeksbureau Technavio. Matevz, Nerea, Lujean en Matteo denken dat in de toekomst alle energie-intensieve industrieën een of ander warmteterugwinningssysteem zullen moeten gebruiken. "Dat is de hoop en het doel", zegt Lujean.

Krachten bundelen uit heel Europa

Gedurende meer dan drie jaar hebben de jonge onderzoekers hun krachten gebundeld vanuit vier verschillende landen. In Slovenië is de 39-jarige Matevz Pusnik verantwoordelijk voor de ontwikkeling van een softwaremanagementtool voor warmteterugwinning voor meervoudig gebruik , die wordt gebruikt in een van de casestudies van ETEKINA, een staalproductiebedrijf in de stad Ravne na Koroškem. "De tool is een op maat gemaakte tool die zorgt voor kostenoptimalisatie en kan worden gebruikt door andere energie-intensieve industrieën voor procesoptimalisatie en scenariogebaseerde beoordeling", legt hij uit. Matevz is onderzoeker aan het Jožef Stefan Institute, waar hij zijn expertise in industrieel energiebeheer ook inzet voor het opstellen van modellen ter ondersteuning van nationale strategische en beleidsdocumenten.

Van meer dan 1600 kilometer verderop, in het noorden van Spanje, is de 34-jarige ingenieur Nerea Nieto bij dit gesprek betrokken. Zij maakt deel uit van het team van het onderzoeksinstituut Ikerlan dat toezicht houdt op de implementatie van HPHE in een aluminiumspuitgieterij in Arrasate-Mondragón. Ze heeft vanaf het begin actief deelgenomen aan ETEKINA, geholpen bij de voorbereiding van het voorstel en bij de ontwikkeling van een instrument om te bepalen of HPHE aan de behoeften van de klant zal voldoen. "We werken samen met industriële partners om vast te stellen welke afvalwarmtestroom het grootste potentieel heeft voor onze technologie, evenals het interne proces waarin deze teruggewonnen warmte kan worden hergebruikt", legt Nerea uit. Dit alles terwijl we op zoek zijn naar nieuwe ideeën met het potentieel om een EU-project te worden.

Wetenschappers als zij en Matevz zijn gewend aan multitasking en verdelen hun tijd over verschillende projecten. Matteo, een 29-jarige PhD-student aan de universiteit van Modena en Reggio Emilia, neemt momenteel deel aan twee EU-projecten, waaronder ETEKINA. "Ik sta in rechtstreeks contact met de producent van keramische tegelsAtlas Concorde, een van de drie eindgebruikers waar HPHE geïnstalleerd en getest zal worden", zegt hij. Tot zijn taken behoort het valideren van de HPHE-eenheid die geïnstalleerd zal worden in de fabriek van het bedrijf in de Italiaanse stad Fiorano Modenese.

In het Verenigd Koninkrijk zal de 31-jarige Lujean op basis van de bevindingen van deze drie onderzoekers en hun teams de beste strategie kunnen uitstippelen om ETEKINA's HPHE op de markt te brengen. Zij is de business development manager van de Heat Pipe and Thermal Management Research Group van de Brunel University London. "We analyseren de markt, identificeren de trends en benadrukken de waarde en het concurrentievoordeel dat ETEKINA's HPHE kan opleveren. We ontwikkelen ook de waardepropositie, de levenscyclus van de klant en de bedrijfsmodellen", legt ze uit. Lujean is betrokken bij zes Horizon 2020-projecten die verband houden met heat pipe-technologieën, waarbij ze een zakelijke focus biedt en deelneemt aan de verspreiding van resultaten.

Deze onderzoekers erkennen de economische voordelen die hun project kan opleveren voor energie-intensieve industrieën, maar het zijn de groene voordelen die ze met enthousiasme benadrukken. "De HPHE-centrales van ETEKINA zijn erop gericht de energiekosten te verlagen door een lager verbruik, aangezien bedrijven de teruggewonnen afvalwarmte nu opnieuw zullen gebruiken. Het zal helpen bij de vermindering van de uitstoot van broeikasgassen, waardoor bedrijven kunnen voldoen aan de richtlijnen inzake energie-efficiëntie," legt Lujean uit, "dit zal een grote hulp zijn voor ongeveer 450.000 bedrijven in de 27 lidstaten van de EU". In landen met warmtedistributiesystemen, zoals Slovenië, kunnen deze voordelen worden uitgebreid naar de gemeenschap, zoals haar collega Matevz Pusnik toevoegt- "In onze casestudy integreren we in de unit technologie om warmte te produceren die kan worden overgedragen aan het lokale stadsverwarmingsnetwerk. Dit is op dit moment een hot topic in Europa."

Lujean zegt dat de feedback van partners en experts zeer positief is, vooral wanneer HPHE wordt vergeleken met buizenwarmtewisselaars, de standaardtechnologie in de sector. "Er zijn zoveel verschillende elementen die shell- en tube-wisselaars niet aankunnen, maar deze HPHE kan dat wel, zoals het terugwinnen van afvalwarmte, zelfs met uitdagende aspecten in de warmtestromen zoals vervuilingsbeheer, hoge bedrijfstemperaturen en multi-sink-mogelijkheden om er maar een paar te noemen. Ik zie dat Matteo het op dit punt met me eens is... Verder is onze analyse-tool voor reproduceerbaarheid die is ontwikkeld geweldig, omdat de klant naar onderzoekscentra kan komen, gegevens kan invoeren zoals temperaturen en debieten, en de tool zal een vergelijking geven: 'Dit is wat je krijgt met een HPHE en dit is wat je krijgt met een shell and tube warmtewisselaar'. En het maakt ook een ruwe vergelijking van de economische aspecten", legt ze uit.

"Met HPHE kan afvalwarmte worden teruggewonnen uit zeer moeilijke stromen", voegt Matteo eraan toe. "In Italië winnen we bijvoorbeeld warmte terug uit uitlaatgassen die deeltjes bevatten... Zoals Lujean zegt, kan een traditionele warmtewisselaar problemen hebben zoals vervuiling of zure condensaten. Maar de HPHE-technologie voorkomt dit omdat de temperatuur in het systeem uniform is, zodat er geen koude plekken zijn waar de uitlaatgassen kunnen condenseren. HPHE is geschikt voor warmteterugwinning uit zeer moeilijke stromen, terwijl warmte gewoonlijk niet wordt teruggewonnen uit industriële uitlaatgassen vanwege de ruwe omgeving".

Een onverwachte uitdaging

In deze drie jaar heeft het team uitdagingen overwonnen, zoals het overhalen van industriële partners om deel te nemen aan het project. "Het was niet gemakkelijk", geeft Nerea Nieto toe, "hun business is om te produceren, dat is hun hoofddoel. Dus ook al is energie-efficiëntie een hot topic, het is niet hun prioriteit en betrokken raken bij EU-projecten gaat verder dan het technische gedeelte - je moet economische rapporten opstellen en er zijn veel andere taken."

"Ik wil hieraan toevoegen dat energie-intensieve industrieën vrij traditioneel zijn als het op nieuwe technologieën aankomt", zegt Matevz Pusnik. "Ze geven de voorkeur aan de implementatie van dingen die al een paar jaar of zelfs decennia werken en, zoals Nerea al zei, is er het administratieve gedeelte, daar hebben ze ondersteuning bij nodig."

"Maar ik denk dat de grootste uitdaging heel duidelijk is", zegt hij verwijzend naar de Covid-19 pandemie, "het is echt een ongelukkige tijd voor het bezoeken van plaatsen en, zoals Nerea zei, timing is cruciaal voor industrieën. Voor onze partners kan elke stopzetting in geld worden vertaald. Er is veel coördinatie nodig... maar we zijn op de goede weg."

Matteo is het daarmee eens: "Er zijn wat vertragingen geweest door de pandemie, maar we hebben twee van de drie units kunnen installeren in de faciliteiten van onze industriële partners (Spanje en Slovenië). Ik denk dat dit een geweldige prestatie is."

De HPHE-eenheden zijn ontworpen door professor Hussam Jouhara van de Brunel University London en zijn team moet aanwezig zijn tijdens de warme commissies, wat ingewikkeld is gebleken door de internationale reisbeperkingen om de verspreiding van Covid-19 te voorkomen. "Het reizen om deze eenheden te installeren en in bedrijf te stellen is een cruciaal punt in ons project om ervoor te zorgen dat de juiste procedures worden gevolgd", legt Lujean uit. "Ondanks de uitdagingen zijn we in december 2020 twee keer afgereisd en hebben we een extra stap gezet om ervoor te zorgen dat we in Spanje aanwezig waren toen ze wat technische problemen ondervonden. Er kwam heel wat quarantaine bij kijken voor het personeel van Brunel, laat ik het zo zeggen."

Op dit moment komen sommige Europese bedrijven, zoals deze drie casestudy's, voor het eerst in contact met technologieën voor de terugwinning van overtollige warmte, maar vele andere moeten nog leren welke economische en milieuvoordelen ze kunnen bieden. De vier onderzoekers zijn er echter van overtuigd dat dit een markttrend is die niet meer weg te denken is.

"Ik zou zeggen dat elk energie-intensief bedrijf zijn afvalwarmte op de een of andere manier zal moeten benutten. Dat is een feit, want de prijzen van energie en CO2-coupons gaan omhoog", zegt Matevz. "Veel Europese landen hebben het benutten van restwarmte al in hun nationale energie- en klimaatplannen opgenomen. Het gaat dus wel gebeuren, het hangt er alleen vanaf welke technologie specifiek is. HPHE pakt een bepaalde niche aan en ik denk dat afvalwarmtebenuttingstechnologieën de komende tien jaar een belangrijke push zullen krijgen... Het is dus een mooie toekomst voor afvalwarmtebenutting."

Nerea, Matevz, Lujean en Matteo hebben nog zeven maanden om de HPHE-eenheden van ETEKINA, ontworpen voor de staal-, aluminium- en keramiekindustrie, te testen en te optimaliseren en ze zijn enthousiast over het zien van de resultaten van een project dat ze al in 2017 zijn begonnen. "De motivatie van jonge onderzoekers is meestal erg hoog. Als je aan het begin van je carrière staat, wil je dit soort uitdagingen aangaan, nieuwe dingen bewijzen en veel leren," zegt Nerea.

"Ik denk dat het komt omdat je deel uitmaakt van zo'n groot innovatief onderzoeksproject dat, hopelijk, naar de markt zal gaan," beaamt Lujean. "Je bent gemotiveerd om dit te bereiken en om verder te gaan."

Voor Matevz bieden projecten zoals ETEKINA jonge wetenschappers een zeldzame kans om in een industriële omgeving te werken die ze anders niet zouden krijgen: "Je kunt naar hun faciliteiten gaan, de machines zien en alles. Het laat een indruk op je achter en je leert veel van de mensen die daar werken - zij worden geconfronteerd met problemen die totaal anders zijn dan jij dacht. Het is belangrijk dat jonge onderzoekers inzicht krijgen in de echte industriële omgeving."

Auteur: Stefania Gozzer