Over het nut van warmtepompen binnen de procesindustrie bestaan nog veel twijfels. Al doende leren Rotterdamse studenten hoe ze er helderheid in kunnen brengen. Hun gastheren profiteren volop mee.

Arjen Dijkgraaf

‘Wij keken met een gezonde dosis scepsis naar de kansen van warmtepompen. Maar hoe meer energie en data je in een project als dit stopt, hoe meer kwaliteit er uit komt’, stelt Dave Klarenbeek, QHSE-manager bij Biopetrol in de Botlek. Vijf studenten van de Hogeschool Rotterdam mochten zijn procesvoering nauwkeurig in kaart brengen om te speuren naar energiebesparingsopties, met een zekere nadruk op warmtepompen. Hun conclusie luidt dat er voldoende valt te besparen om zelfs na 2030 te kunnen voldoen aan de verwachte CO2-emissienormen. En dat het vermoedelijk nog betaalbaar is ook.

Het betrof een zogeheten minor voor de studierichtingen chemische technologie en werktuigbouwkunde. Dit studiejaar is de minor voor de tweede keer georganiseerd in samenwerking met belangenvereniging Deltalinqs en vijf Rotterdamse bedrijven, die elk een studententeam uitnodigden.

Klarenbeek werkte graag mee. Als Twentse procestechnoloog verdiende hij zelf ooit zijn brood met het ontwerpen van warmtewisselaars, tot hij besloot dat hij ze vaker in het echt wilde zien. Sinds 2011 werkt hij bij Biopetrol, het enige Nederlandse bedrijf dat biodiesel produceert op basis van raapzaad of zonnebloemolie. We treffen hem daar samen met drie van de vijf studenten die hij onder zijn hoede kreeg: werktuigbouwers Yannick Hekman en Mike van Mill, en chemisch technoloog Derk Overweel.

Warmte verplaatsen

Binnen de Hogeschool Rotterdam is Marit van Lieshout de drijvende kracht. Ze groeide op in de jaren tachtig, toen zure regen en gaten in de ozonlaag voorpaginanieuws waren. Door chemische technologie te gaan studeren, hoopte ze de industrie van binnenuit te kunnen verduurzamen. Momenteel is ze senior consultant bij Royal HaskoningDHV en twee dagen per week lector energietransitie in de procesindustrie aan de hogeschool.

Bij haar ligt de nadruk op praktisch haalbare procestechnische aanpassingen, en daarbij liggen warmtepompen voor de hand. Kort samengevat verplaatsen die thermische energie tegen de natuurlijke richting in. Je verwarmt een gas- of vloeistofstroom met energie uit een andere stroom die kouder is. Technisch gezien werkt het ongeveer hetzelfde als een koelkast, maar dan met de nadruk op de warmte die vrijkomt aan de achterkant.

Er zijn wat inherente beperkingen die toepassing binnen de procesindustrie in de weg staan. Zo kun je maar enkele tientallen graden temperatuurverschil overwinnen. De compressoren, die de warmte-overdrachtscyclus aan de gang houden, zijn relatief duur. Maar de grootste hobbel is misschien wel de vraag waar je in een proces precies de warmte moet aftappen, en waar je haar dan weer hergebruikt. ‘Als je niet uitkijkt, optimaliseer je wel losse onderdelen, maar gaat je fabriek als geheel juist meer energie gebruiken’, waarschuwt Van Lieshout.

Pinch

Om dat laatste te voorkomen werkt ze aan een revival van de pinch-analyse, een klassieke grafische methode waarvoor je alle vloeistof- en gasstromen moet inventariseren die binnen een proces warmte afgeven of opnemen. Er rolt een temperatuur uit, de ‘pinch’, waarbij toe- en afvoer elkaar qua energie-inhoud het dichtst benaderen. De belangrijkste ontwerpregel is vervolgens dat je warmtepompen altijd moet plaatsen tussen stromen die aan weerszijden van de pinch zitten, en warmtewisselaars juist niet. Vervolgens vergelijk je de warmtepomp-opties op terugverdientijd. Dat verkort het lijstje met door te rekenen mogelijkheden aanzienlijk.

Begin jaren negentig was pinch uiterst populair, maar sindsdien is het nogal buiten beeld geraakt. Volgens Van Lieshout is dat mede omdat de industrie steeds minder investeerde in technologen die er mee om konden gaan. ‘Maar eigenlijk zouden alle procesingenieurs het moeten kunnen. Zonder pinch word je echt gek als je iets wilt veranderen aan je warmtehuishouding. Met open source softwarepakketten zijn we het nu behapbaar aan het maken voor hbo-studenten. Goede begeleiding blijft wel een voorwaarde, want het is een moeilijk onderwerp.’

Dubbelrol voor methanol

Een minor van vier maanden is krap wanneer je jezelf als student de software eigen moet maken, procesgegevens moet verzamelen en ook nog besparingsmogelijkheden wilt uitwerken. Om toch een kwalitatief goed verhaal te kunnen afleveren, concentreerde de groep bij Biopetrol zich op het deel van de fabriek waar oliën reageren met methanol om te worden ‘omgeësterd’ tot vetzuurmethylesters (FAME) en glycerine.

De destillatiekolom, die daarna de methanolrestanten terugwint, lijkt een ideale plek voor een warmtepomp. Ten eerste omdat destillatieprocessen zich daar sowieso voor lenen. ‘Omdat je zowel verdampt als condenseert’, legt Van Mill uit. Ten tweede omdat het hier gaat over vrij lage temperaturen: restwarmte van 65 graden Celsius uit de condensor die je opwaardeert tot 105 graden (toevallig ook de pinch) om een reboiler te kunnen verhitten. ‘Dat je niet op 200 graden zit, maar ergens rond de 100, is gunstig voor een warmtepomp’, weet Overweel. Ten derde omdat de processtromen tamelijk bescheiden zijn, zodat ook de compressor niet overdreven groot wordt.

De volgende vraag is wát voor warmtepomp je kiest. Net als in een koelkast circuleert er gewoonlijk een hulpstof in, en als zodanig liggen bij werktemperaturen rond de 100 graden Celsius butaan en pentaan het meest voor de hand. ‘Maar toen we dat zeiden, sprongen de heren hier een beetje omhoog’, grinnikt Hekman. ‘Je gaat dan met nieuwe gevaarlijke stoffen werken in je fabriek. Daar komt een berg papierwerk bij kijken, zelfs als je het hebt over kleine hoeveelheden.’

tekst gaat verder onder de afbeelding

Marit van Lieshout (Hogeschool Rotterdam): ‘Als je niet uitkijkt, optimaliseer je wel losse onderdelen, maar gaat je fabriek als geheel meer energie gebruiken.’

Terugverdienen

Vandaar het idee om er geen volledig gesloten systeem van te maken, maar een deel van de methanol door de warmtepomp te laten circuleren. Volgens Van Mill, de thermodynamicaliefhebber van de groep, worden de prestaties op papier wel wat minder. Maar Hekman wijst er op dat de compressor waarschijnlijk goedkoper uitvalt, omdat je met minder hoge drukken hoeft te werken. Belangrijkste vraag is hoe je de warmteuitwisseling regelt tussen de circulerende methanol en het destillatieproces, waar die stroom zelf deel van uitmaakt. Rechtstreeks de reboiler opwarmen door methanol te laten condenseren, is te kort door de bocht. ‘Je moet daarvoor je destillatiekolom aanpassen, en regeltechnisch wordt het lastig’, voorspelt Van Mill. Vandaar de keuze om het indirect te doen door de stoomverwarming van de reboiler te handhaven en de warmtepomp te gebruiken als een soort bijstook. Valt de methanolstroom weg, bijvoorbeeld tijdens het opstarten, dan is elders nog wel wat stoom beschikbaar.

Verrassend genoeg laat de analyse zien dat ook het warmtewisselaarnetwerk beter kan, wat je niet zou verwachten bij een fabriek die pas in 2008 is opgeleverd. ‘De procesunits werden onafhankelijk van elkaar ontworpen’, weet Klarenbeek. Deze groep studenten heeft goed gekeken naar de mogelijkheden die er zijn. ‘We zullen nog moeten invullen hoe wij de mogelijke veranderingen goed kunnen beheersen.’ Naar nu blijkt leveren bescheiden aanpassingen aan de warmtewisselaars voldoende energiewinst op om de investering binnen een jaar terug te verdienen. ‘In maart hebben we onze periodieke stop en we kijken in elk geval of we één zo’n wijziging dan kunnen realiseren.’

Relevantie

De warmtepomp lijkt een terugverdientijd te hebben van een jaar of zes, afhankelijk van hoe energieprijzen en CO2-emissietaks zich ontwikkelen. Zelfs in energiebewuste tijden is dat op het randje, en een investeringsbesluit zal zeker niet vallen voordat het nog eens grondig is nagerekend. ‘We zitten nog in de verkennende fase’, zegt Overweel.

Hij en zijn medestudenten zijn echter tamelijk zeker van hun zaak. ‘Ons model neemt alleen de belangrijkste warmtestromen mee, maar we konden beschikken over een jaar procesdata en ik denk dat we wel een beeld hebben gekregen van wat belangrijk is’, stelt Van Mill. Volgens Hekman kun je natuurlijk altijd een significante stroom over het hoofd zien omdat er simpelweg geen sensor op zit. ‘Maar ik acht die kans zeer klein’. Bovendien hebben de procesoperators met de studenten meegedacht. ‘Je moet voor jezelf beslissen: Wat is relevant en wat is minder relevant? Ik denk dat we daar wel goed naar hebben gekeken’, vat Overweel samen.

De grootste onzekerheid zit in het duurste onderdeel, de compressor. Daarvoor blijken geen vaste prijzen te bestaan; leveranciers doen per project een offerte. ‘Zo’n compressor is vrij specifiek, alleen al omdat per warmtepomp verschilt wat er doorheen moet stromen’, weet Van Mill. Op basis van eerder afgeronde projecten stelde Deltalinqs-projectleider Harry van Dijk een set vuistregels op die een ruwe schatting mogelijk maken, en daarop hebben de studenten hun kostenplaatje gebaseerd.

Wordt vervolgd

Wat ze gaan doen als ze hun diploma op zak hebben? Overweel werkt nu al in deeltijd bij een adviesbureau en dat bevalt hem prima. ‘Ik ben geïnteresseerd in het gehele proces, de hele installatie. En ik denk dat er op energiegebied nog veel te verbeteren is.’

Ook Hekman voelt zich aangetrokken tot de consultancy. Hij gaat afstuderen bij een start-up, TransitionHERO, en wil graag zijn steentje bijdragen aan de energietransitie die hij heel belangrijk en heel interessant vindt. En Van Mill, met zijn voorliefde voor rekenwerk, denkt definitief ‘de warmtepompen in te gaan’. ‘Of de koeltechniek, dat staat er niet ver van af.’

Van Lieshout en begeleidend docent De Raad zetten het project voort. ‘Voor het komende semester hebben we drie bedrijven benaderd via het Institute for Sustainable Process Technology (ISPT), dat ook een warmtepompplatform kent. Naar diezelfde bedrijven wil ISPT ook ingenieursbureaus laten kijken. Het wordt spannend om te zien of er verschillen zijn: vergeten we nog iets en kan een ander er meer uithalen, of doen onze studenten het nu al fantastisch goed?’

Ze heeft goede hoop dat de industrie het oppikt. ‘Sinds de klimaatonderhandelingen zijn begonnen, hoor je een heel nieuw geluid: het kan, het is belangrijk, het is technisch mogelijk en we moeten het alleen nog economisch mogelijk zien te maken.’ Klarenbeek bevestigt dit. ‘Het klimaatakkoord brengt verplichtingen met zich mee. Als we haalbare alternatieven hebben om energie te besparen, is het niet meer dan logisch om hierin te investeren.’