Toenemende elektrificatie aanjager voor innovaties

Productieprocessen moeten duurzamer en van het gas af, Europese en nationale wet- en regelgeving stuurt meer en meer aan op emissievrij werken. Wat zijn de grootste bottlenecks in de transitie naar all-electric voor een branche waar warmte en koude essentieel zijn voor het proces?

Koelen, vriezen en verwarmen zijn onlosmakelijk verbonden met de voedingsindustrie. Het zijn processen die veel energie kosten. Innovaties die tot besparingen leiden, kunnen dan ook heel wat opleveren. De focus van vernieuwingen ligt op elektrificatie. Helaas biedt dit niet altijd de gewenste oplossing; door de beperkt beschikbare elektrische capaciteit op het net en de volatiele energieprijzen, leveren ze niet altijd op wat was beoogd. Wageningen Food & Biobased Research onderzoekt welke energiebesparende ontwikkelingen wél werken. Effectiviteit en efficiëntie zijn daarbij belangrijke steekwoorden. 

Effectief versus efficiënt 

Effectief koelen en verwarmen betekent dat koude en warmte zo doelgericht mogelijk wordt toegepast, en dat de temperatuur die daarbij nodig is zo min mogelijk verschilt met de omgevingstemperatuur. Een mooi voorbeeld is het blokvriezen van vis in een platenvriezer. Hierbij hoeft niet een héle ruimte de lage invriestemperatuur te hebben. Dankzij de afwezigheid van ventilatoren is bovendien weinig hulpvermogen nodig. En omdat er geen ventilatorvermogen wordt gebruikt dat warmte produceert, hoeft die warmte ook niet weggekoeld te worden. Dubbele winst dus.

Efficiënt koelen/verwarmen houdt in dat de benodigde koude/warmte met een zo hoog mogelijk rendement wordt opgewekt. Op de meestvoorkomende condities en belasting, moet het systeem het hoogst mogelijke rendement halen. De efficiëntie wordt beter door het aandeel (eigen opgewekte) duurzame energie te vergroten. Duurzame energie als zonne- en windenergie is echter niet vanzelfsprekend beschikbaar op het juiste moment en met het juiste vermogen. Om dit te reguleren, is energiebuffering gecombineerd met een smart-regeling, een vereiste. 

(Direct) hergebruik 

In gaarkeukens is een grote hoeveelheid warmte nodig. Zodra een batch klaar is, wordt in het algemeen de hete inhoud geloosd, waarna de ketel opnieuw wordt gevuld en opgewarmd. Hiervoor is in een korte tijd veel energie nodig. Traditioneel werd deze geleverd door een gasgestookte lagedrukstoomvoorziening. Tegenwoordig kan met een buffervolume van een enkel ketelvolume de warmte van de geloosde inhoud gebruikt worden om het nieuwe water voor te verwarmen. Dit bespaart veel energie en versnelt de kookproces-cyclus. Dit direct of kortcyclisch terugwinnen van warmte/koude is relatief eenvoudig en daarom economisch zeer interessant.

Uitvoering van een actief gekoelde strekkar.

Koelen tijdens transport

Actieve koelsystemen tijdens gekoeld transport zijn significant minder efficiënt dan stationaire koelsystemen. Dit komt doordat mobiele koelunits compact en niet te zwaar mogen zijn en tevens multi-inzetbaar zijn voor koel- en vriestoepassingen. Niet of minder koelen tijdens regionaal transport levert veel energiewinst op, en er zijn geen grote accupakketten nodig voor de elektrificatie van het koelsysteem. Om minder of zelfs helemaal niet te hoeven koelen tijdens transport, zijn twee principes geschikt. Belangrijk detail: de productkwaliteit mag er natuurlijk niet onder lijden! 

Eerste principe: Superchilling. Door het foodproduct extra diep te koelen, wordt het met een lagere temperatuur of een latente koudebuffer aangeboden voor transport. Hierbij vormt zich een klein percentage fijn verdeelde ijskristallen om de producten heen. Deze techniek wordt bijvoorbeeld succesvol toegepast bij het vervoer van verse zalm. De vis blijft langer vers en is minder gevoelig voor schommelingen van de omgevingscondities. 

Tweede principe: het toepassen van isolatieboxen of -hoezen. Deze beschermen de producten beter tegen indringing van de omgevingswarmte. Wageningen Food & Biobased Research ontwikkelde een koelboxsysteem waarbij de producten actief gekoeld worden vanuit de bodem van geïsoleerde boxen. Groot voordeel is dat koelelementen niet meer nodig zijn. Ook gaat er geen koude verloren bij frequente deuropeningen. Zeer geschikt dus voor fijnmazige gekoelde distributie van verse etenswaren en medicijnen. 

Slimme aansturing koelsysteem

In de nabije toekomst zullen veel processen voorzien zijn van een 24-uurs buffer voor duurzaam opgewekte energie. Zo’n buffer zorgt ervoor dat het duurzame energieaanbod optimaal ingezet kan worden. De meest hoogwaardig energieopslag is die van elektrische energie. Het opslaan van grotere hoeveelheden energie in accu’s is economisch echter vaak niet haalbaar, en de levensduur van accu’s is beperkt. Bij koel- en/of warmtepompinstallaties is het daarom logischer om de energie in de gekoelde ruimte zelf op te slaan, of in een kortcyclische koude- en/of warmtebuffer. Om vraag en aanbod goed op elkaar af te stemmen, is een smart-regeling essentieel. 

Verlies beperken

Opslag gaat altijd gepaard met verliezen. Bij warmte- en koudeopslag is dat met name temperatuur- en energieverlies. Gelukkig zijn er oplossingen om dit verlies te beperken. 

De temperatuur van koude in een externe ijsbuffer is niet laag genoeg om een koelcel van 4 °C mee te koelen. Maar door koudeopslag in de koelcel zélf te integreren en goed te kijken naar de warmteopslagcapaciteit in de vorm van hoeveelheid (kJ) en vermogen (kW), kan dit wél. Een kansrijke ontwikkeling in dit opzicht is het toepassen van koudedrager-geactiveerde PCM-materialen aan de binnenzijde van koel/vriescelpanelen. Door koudebuffering in de cel én dankzij het ontbreken van ventilatoren is dit principe zeer geschikt voor duurzame standalone koelsystemen. Dit wordt in Wageningen verder ontwikkeld.

Binnenkant van een transporter bus met actief gekoelde geïsoleerde koelboxen - ontworpen door Wageningen Food & Biobased Research.

Gebruik van restwarmte 

De voedingsindustrie maakt veel gebruik van processen waarbij hoge temperaturen vereist zijn, zoals blancheren, garen en bakken. De benodigde energie wordt nu nog vaak geleverd door verbranding van aardgas. Een warmtepomp verplaatst laagwaardige warmte naar een hoger temperatuurniveau met inzet van hulpenergie. Een HT-warmtepomp is echter geen wondermiddel. Het maken van een hoge eindtemperatuur heeft vaak een negatieve invloed op het rendement van de warmtepomp, vooral als de temperatuurstap die de warmtepomp moet overbruggen erg groot is. De temperatuur van de warmtebron is dan ook erg belangrijk. Het realiseren van een warmtepomp met een goed rendement vraagt om een passend ontwerp en controle van het te realiseren rendement onder praktijkomstandigheden. 

Waterdamprecompressie is een eenvoudige en bewezen techniek voor het terugwinnen en opwaarderen van warmte naar een hoog temperatuurniveau. Dit werkt zelfs bij bakovens die 170 °C moeten halen. Voor een goed rendement is het belangrijk dat er zuivere waterdamp gecomprimeerd wordt, zonder vermenging met lucht.

Natuurlijke koudemiddelen 

EU-regelgeving bepaalt dat koelsystemen gebruik moeten maken van natuurlijke koudemiddelen met geen (of een zeer lage) Global Warming Potential (GWP). Helaas zijn natuurlijke koudemiddelen brandbaar en/of giftig. Bij een lekkage in een slecht geventileerde ruimte kan er zomaar een explosief mengsel ontstaan. 

Toch zijn natuurlijke koudemiddelen relatief eenvoudig veilig toe te passen.  Kies bij nieuwbouw voor een chiller (een koudwatermachine, dus een indirect koelsysteem) in een goed geventileerde machinekamer, of voor een chiller met een buitenopstelling. Bij een calamiteit kan er in dat geval ook vrij eenvoudig een noodkoeling aangesloten worden. Het rendementsverlies door de aanwezigheid van een extra warmtewisselaar en -pomp is bij koeltoepassingen beperkt. Voor vriestoepassingen is een indirect systeem minder geschikt vanwege groter pompverlies. Dit verlies is deels te voorkomen door bijvoorbeeld CO₂ als verdampende koudedrager te kiezen.  

Investeren en besparen

Het onderzoek naar en de ontwikkelingen in nieuwe energiebesparende mogelijkheden om koude- en warmteopwekking verder te verduurzamen en een groter aandeel zelf opgewekte energie te gebruiken, staat niet stil. De kennis verdiept zich en breidt zich uit. Weeg de voors en tegens van investeren in duurzamere opties eens tegen elkaar af: Ja, het kost geld. Maar je bespaart ermee op operationele kosten, reduceert de CO₂-uitstoot en beperkt het gebruik van de capaciteit van de elektra-aansluiting. 

[email protected]

Bijschrift hoofdbeeld: Kookketel van Marfo.