09/02/2015
Door Yves De Groote
De vakgroep Duurzame organische chemie en technologie van UGent en het spin-off bedrijf Caloritum ontwikkelden een chemische warmtepomp voor het opwaarderen van restwarmte in de proces- en voedingsindustrie. De technologie is gebaseerd op de energiehuishouding in biologische processen, legt prof. dr.ir. Christian Stevens uit. “Mijn idee was dat die ook chemisch te ontwerpen zou moeten zijn.”
Uit een Europese studie van Energie Centrum Nederland (ECN) uit 2012 blijkt dat alleen al in het Antwerpse havengebied 480 MW aan laagwaarde warmte (minder dan 120°C) in de lucht verloren gaat. Ook bleek dat 20% van de restwarmte een hogere temperatuur heeft. Prof.dr.ir. Christian Stevens: “Bij de ontwikkeling van de chemische warmtepomp kijken wij op Europees niveau naar een industriële restwarmtefractie met een temperatuur tussen 80°C en 150°C, ofwel 180 GW (bron: ECN). Dat is een gigantische hoeveelheid.”
Principe
Het principe van de chemische warmtepomp is eenvoudig. “Onder invloed van warmte laten we in een soort valverdamping warmtewisselingsinstallatie een monomeer oligomeriseren, waarbij de thermische energie wordt omgezet in chemische energie in de vorm van een viskeuze oplossing en water, dat wordt afgevoerd in de installatie”, verduidelijkt Steven. “Het scheiden van beide stromen gebeurt door middel van verdamping of azeotrope distillatie. Wanneer de geoligomeriseerde vloeistof nadien weer in contact komt met water, komt de opgeslagen energie uitermate snel weer vrij. De temperatuur loopt hierbij op van 130°C tot 220 °C, oftewel een verhoging van 90°C. Dit is gevalideerd door het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), dat ook nauw bij het project is betrokken.”
Het aantrekkelijke van de technologie is dat met relatief heel weinig operationele kosten warmte naar een hoger energieniveau kan worden gepompt. Stevens legt uit: “Er is enkel een 3% elektrische energie nodig om de warmtepomp te laten werken, waarbij we een rendement van om en bij de 50% kunnen halen.” Dat is meteen ook het grote verschil met de warmtepompen die momenteel op de markt zijn.”
Een ander voordeel van de inmiddels gepatenteerde chemische warmtepomp is volgens hem de mogelijkheid om het condensatieproduct, de gepolymeriseerde vloeistof, te vervoeren, zodat de opgeslagen thermische energie op een andere plek is te benutten.
Fosfaatchemie
Net als bij de energiehuishouding in biologische processen met ADP (adenosinedifosfaat) dat wordt omgezet in ATP (adenosinetrifosfaat), is het ontwikkelde systeem voor de chemische warmtepomp gebaseerd op fosfaatchemie, maar de organische molecule is vereenvoudigd. Stevens: “Fosfaat is om twee zaken bijzonder interessant, omdat de energie die vrijkomt afkomstig is van de bindingsenergie tussen de fosfaat-zuurstofbindingen in het polymeer en de hydratatiewarmte bij menging van de fosfaten en water. Het gaat om 570 MJ per kubieke meter, zo is ook nagerekend door ECN. Deze energiedichtheid is voor industriële toepassingen economische bijzonder relevant. Ter vergelijking: de energie-inhoud van een autoaccu bedraagt 350 MJ per kubieke meter.”
Technologieontwikkeling
Het spin-off bedrijf Caloritum van UGent ontwikkelt de technologie nu verder. De nieuwe pilootinstallatie met een vermogen van 0,5 MW in de Antwerpse haven is de volgende mijlpaal. Bij deze verdere ontwikkeling is er nauwe samenwerking met een aantal industriële partners, zowel qua materiaalontwikkeling als qua toepassingen van de technologie op hun sites.
Uitdagingen
De grootste uitdagingen zijn, voor zover nu bekend, het voorkomen van corrosie in de installatie, aangezien het ontwerp van de installatie gebaseerd is op een chemisch proces. “We hebben corrosie onder controle op laboratoriumschaal, maar corrosie moet verder worden geëvalueerd in de proefinstallatie”, legt Christian Stevens uit. “Welke impact heeft corrosie op langere termijn op het materiaal, is natuurlijk de vraag die we ons nu stellen. We hebben natuurlijk groot vertrouwen in onze industriële partners.”
Een tweede uitdaging is natuurlijk de economische haalbaarheid van de installatie. “We regenereren natuurlijk energie, maar dit moet natuurlijk competitief zijn in vergelijking met andere energiebronnen. De installatie gebruikt natuurlijk ook elektrische energie voor met name het verpompen van de oligomeren .” Stevens voegt hier nog aan toe dat vanuit dit oogpunt gezocht wordt dan naar betere katalysatoren die het chemisch polymerisatie proces nog kunnen versnellen, aangezien dit ten goede komt aan de efficiëntie van de installatie als geheel.
Industriële belangstelling
Inmiddels hebben de nodige bedrijven uit de procesindustrie belangstelling getoond in de mogelijkheden van de nieuwe technologie voor hun productiebedrijven. “Zij beseffen dat de restwarme op hun locaties nu verloren gaat in de omgeving”, weet Christian Stevens. “Een duurzame oplossing dringt zich dan ook op voor het terugwinnen van deze warmte.”
Dit is een bewerking van een artikel dat eerder is verschenen in Fluids Processing.
Foto: IPV-IFP/Lies Willaert